Etude techn12

Monique

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Dorothée Guetta Promotion 9 La commutation tout optique pour les réseaux à fibre optique Sujets d’étude technique NFIO5 Catégorie : Prospection de nouveaux marchés faisant appel à des techniques optroniques. Sommaire INTRODUCTION. 3 1. LES RESEAUX DE TRANSPORT DE TELECOMMUNICATION. 4 1-1. SYNCHRONOUS DIGITAL HIERARCHY. 4 1-2. INTERNET PROTOCOL. 4 1-3. L’OPTIQUE DANS LES RESEAUX ACTUELS. 5 2. LA COMMUTATION TOUT OPTIQUE DANS LES RESEAUX A FIBRE. 6 2-1. APPLICATIONS POTENTIELLES 6 2-1-1. LA PROTECTION. 6 2-1-2. LA COMMUTATION. 6 2-1-3. LE BRASSAGE. 6 2-1-4. L’INSERTION/EXTRACTION. 6 2-1-5. LA REPARTITION. 7 2-2. PARAMETRES PRINCIPAUX POUR UN COMMUTATEUR OPTIQUE 7 2-2-1. TEMPS DE RECONFIGURATION. 7 2-2-2. NATURE DES SIGNAUX A COMMUTER. 8 2-2-3. TAILLE DE LA MATRICE. 9 2-2-4. PROPRIETE DE BLOCAGE. 9 2-2-5. TYPE DE CONNECTIVITE. 9 3. LES MATRICES DE COMMUTATION. 10 RCHITECTURES A ETAGE 3-1. A 1 . 103-1-1. LES CROSSBARS. 10 3-1-2. LES AIGUILLEURS. 10 3-1-3. EXEMPLE D’ARCHITECTURE A 1ETAGE. 11 3-2. ARCHITECTURES MULTI-ETAGES. 11 3-2-1. ARCHITECTURE DE CLOS. 12 3-2-2. ARCHITECTURE DE BENES. 12 4. LES TECHNOLOGIES DE BASE DE LA COMMUTATION OPTIQUE. 14 4-1. LES TECHNOLOGIES MICRO-OPTO-MECANIQUES (MOEMS). 14 4-1-1. PRINCIPE. 14 4-1-2. EXEMPLES DE REALISATION DE BASE. 15 4-1-3. MATRICES MOEMS N×N. 16 4-1-4. PERFORMANCES. 17 4-1-5. AVANTAGES DES MOEMS. 18 4-2. COMMUTATEURS ELECTRO-OPTIQUES 19 4-2-1. ...

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Extrait

Dorothée Guetta    

 

Promotion 9

  La commutation tout optique pour les réseaux à fibre optique

Sujets détude technique NFIO5 Catégorie : Prospection de nouveaux marchés faisant appel à des techniques optroniques.  

Sommaire

INTRODUCTION.  1.   LES RESEAUX DE TRANSPORT DE TELECOMMUNICATION. 1-1.   S YNCHRONOUS D IGITAL H IERARCHY . 1-2.   I NTERNET P ROTOCOL . 1-3.   L OPTIQUE DANS LES RESEAUX ACTUELS . 2.   LA COMMUTATION TOUT OPTIQUE DANS LES RESEAUX A FIBRE. 2-1 A PPLICATIONS POTENTIELLES   . 2-1-1. L A PROTECTION . 2-1-2. L A COMMUTATION . 2-1-3. L E BRASSAGE . 2-1-4. L INSERTION / EXTRACTION . 2-1-5. L PARTITION . A RE 2-2. P ARAMETRES PRINCIPAUX POUR UN COMMUTATEUR OPTIQUE   2-2-1. T EMPS DE RECONFIGURATION . 2-2-2. N ATURE DES SIGNAUX A COMMUTER . 2-2-3. T AILLE DE LA MATRICE . 2-2-4. P ROPRIETE DE BLOCAGE . 2-2-5. T YPE DE CONNECTIVITE . 3.   LES MATRICES DE COMMUTATION. 3-1. A RCHITECTURES A 1 ETAGE . 3-1-1. L ES CROSSBARS . 3-1-2. L ES AIGUILLEURS . 3-1-3. E XEMPLE D  ARCHITECTURE A 1 ETAGE . 3-2. A RCHITECTURES MULTI - ETAGES . 3-2-1. A RCHITECTURE DE C LOS . 3-2-2. A RCHITECTURE DE B ENES . 4.   LES TECHNOLOGIES DE BASE DE LA COMMUTATION OPTIQUE. 4-1. L ES TECHNOLOGIES MICRO - OPTO - MECANIQUES EOM(MS).  4-1-1. P NCIPE . RI 4-1-2. E XEMPLES DE REALISATION DE BASE . 4-1-3. M ATRICES MOEMS N×N. 4-1-4. P ERFORMANCES . 4-1-5. A VANTAGES DES MOEMS. 4-2. C OMMUTATEURS ELECTRO - OPTIQUES   4-2-1. C OMMUTATEURS A COUPLEURS ELECTRO - OPTIQUES . 4-2-2. C OMMUTATEURS A CRISTAUX LIQUIDES .

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4-2-3. C OMMUTATEURS ELECTRO - HOLOGRAPHIQUES . 4-3. C OMMUTATEURS THERMO - OPTIQUES . 4-3-1 C OMMUTATEURS EN SILICE SUR SILICIUM . . 4-3-2. C OMMUTATEURS A MICRO - BULLES . 4-4. C OMMUTATEURS ACOUSTO - OPTIQUES . 4-5. C OMMUTATEURS MAGNETO - OPTIQUES   4-6. SOA S UTILISES EN TANT QUE PORTES OPTIQUES . 4-7. C OMMUTATEURS TOUT - OPTIQUES   4-8. C ONCLUSION . 5.   LE MARCHE DE LA COMMUTATION OPTIQUE. 5-1. B REF HISTORIQUE . 5-2. L ES ACTEURS DU MARCHE . 5-3. L E MARCHE . 5-4. E VOLUTION DES SERVICES   5-5. P OSITION DE LA F RANCE . CONCLUSION.  BIBLIOGRAPHIE :  

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Table des illustrations   Tableau 1:Débits utilisés en transmission SDH.......................................................................4   Tableau 2: Spécifications nécessaires des commutateurs pour être utilisés dans les réseaux optiques. ...............................................................................................................................14   Tableau 3:Spécifications techniques d'un commutateur optique 2D mécano-optique. ...........17   Tableau 4: Spécifications techniques d'un commutateur électro-optique à base de guide d'ondes. ... .............................................................20   ................................................................ Tableau 5:Spécifications techniques d'un commutateur à cristaux liquides. ..........................21   Tableau 6: Spécifications de plusieurs commutateurs thermo-optiques à base de silice sur silicium.................................................................................................................................22   Tableau 7:Spécifications techniques d'un commutateur thermo-optique à bulles...................23   Tableau 8: Acteurs et état de l'art de la technologies MEMS. ...............................................28   Tableau 9: Autres technologies de commutation. ..................................................................28   Tableau 10:Estimation du marché américain par technologie. .............................................29   Tableau 11:Evolution des services liés aux télécommunications optiques. ............................30     Figure 1: Un réseau de transport optique. ..............................................................................5 Figure 2: Boucle haut débit à insertion/extraction. .................................................................7 Figure 3: Principe de la commutation de paquet....................................................................8  Figure 4: Principe de la commutation de circuit. ....................................................................8 Figure 5: Types de connectivité. .............................................................................................9 Figure 6: Fonction "crossbar"..............................................................................................10 Figure 7: Fonction aiguilleur...............................................................................................11   Figure 8: Commutateur N×M à base de crossbars. ...............................................................11 Figure 9: Exemple d'Architecture de Clos à 3 étages avec N=6,p=3,n=2. ............................12 Figure 10: Exemple d'Architecture de Benes avec N=16 (n=4).............................................13 Figure 11: Exemple de MOEMS. ..........................................................................................15 Figure 12: Commutateur 2x2 réalisé avec un miroir.............................................................15  Figure 13: Commutateur 8x1 à guides mobiles. ....................................................................15 Figure 14: Matrice MOEMS 2D. ..........................................................................................16 Figure 15: Différentes configurations de matrices 3D..........................................................17  Figure 16:Dispositifs électro-optiques (a)coupleur,(b) commutateur 4x4..............................19 Figure 17: Commutation à cristaux liquides. ........................................................................20 Figure 18: Commutateur holographique Digilens.................................................................21  Figure 19: Modulateur de phase thermo-optique. .................................................................22 Figure 20: Principe du commutateur à bulles. ......................................................................22 Figure 21: Dispositifs acousto-optiques: (a) profil de variation de l'indice de réfraction dans un matériau homogène excité par une onde acoustique, (b)commutateur 1x2, (c)commutateur 1xN.......................................................................................................................................23   Figure 22:Commutateur magnéto-optique. ...........................................................................24   Figure 23:Commutateur optique avec contrôle optique........................................................25   Figure 24:Commutateur tout-optique par selection de la polarisation. .................................25   Figure 25:Routeur contrôlé par le niveau de puissance du signal d'entrée............................25   Figure 26:Evolution du marché des matrices de commutation . ............................................29   Figure 27:Evolution du trafic de données (source OITDA, 2002). ........................................30    

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Introduction. La fibre optique est certainement l'une des plus remarquables technologies de communication du siècle dernier. Et tout porte à croire que'lle le sera encore au cours de ce siècle. Avec toujours plus  d'applications large bande telles que le multimédia ou la vidéo, les réseaux sont de plus en plus sollicités. Face à cette évolution, seules les solutions optiques permettront da'tteindre des  capacités qui se mesureront en milliers de milliards de bits di'nformation par seconde (térabits  par seconde ou Tbit/s), puis en millions de milliards de bits par seconde (petabits par seconde ou Pbit/s). Dans les premiers systèmes à fibres optiques, les signaux optiques devaient être souvent régénérés ou amplifiés électroniquement car la puissance du signal sa'ffaiblissait avec la  distance parcourue ; de même, les volumes de trafic mettaient déjà fortement à contribution la capacité des réseaux optiques. Mais grâce aux amplificateurs à fibre dopée (EDFA) et au multiplexage par répartition en longueurs d'onde ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) ; les réseaux sont passés majoritairement à loptique. Cependant, lheure du "tout-optique" nest pas encore de mise, la limitation venant actuellement des nœuds de routage qui restent électroniques. Les commutateurs électroniques savèrent mal adaptés à la demande actuelle, pour des débits importants ils sont très gros, complexes et coûteux. On parlera de commutateur "tout-optique" ou commutateur transparent lorsque le signal traverse le commutateur sans jamais repasser par lélectronique à travers des conversions Optique/Electronique/Optique (O/E/O). Les raisons qui ont conduit à cette course à la commutation "tout-optique" sont la recherche de temps de commutation plus courts, de systèmes plus simples à gérer et moins coûteux.

Dans une première partie, nous ferons brièvement le point sur les réseaux de transmission actuellement utilisés. Ensuite, nous verrons plus précisément comment peuvent intervenir les commutateurs transparents au sein de ces réseaux, nous traiterons des applications possibles et des critères qui permettent de classer les commutateurs. Au cours du troisième chapitre, nous discuterons des différentes configurations des matrices de commutations optiques. Le quatrième chapitre sera consacré aux technologies de base de la commutation optique. Pour chacune, nous tenterons den présenter le principe, les performances obtenues et les avantages et inconvénients. Enfin la dernière partie, dédiée au marché de la commutation dans les réseaux, présentera un état des lieux ainsi que des prévisions à plus ou moins longs termes.

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1. Les réseaux de transport de télécommunication. Ce chapitre constitue un bref état des lieux de ce que sont les réseaux de transport des télécommunication aujourdhui. Les réseaux actuels utilisent principalement la technologie SDH pour le transport de voix et la technologie IP pour le transport de données.   1-1. Synchronous Digital Hierarchy.   SDH : Hiérarchie des lignes numériques multiplexées en Europe. En Amérique du Nord, lé'quivalent sa'ppelle SONET. Cette technologie a remplacé le PDH depuis plusieurs années  (Plesiochronous Digital Hierarchy). La SDH correspond à un standard. De nombreuses choses sont normalisées par la SDH : les débits utilisés, lagrégation des débits faibles aux débits élevés, la trame, les informations de signalisation et de surveillance du réseau, la façon de gérer les réseaux SDH, les interfaces physiques utilisées, … Les débits de transmission utilisés commencent à 155Mbit/s et vont de 4 en 4.   Nb de communication   Débits téléphoniques  155 Mbit/s 1890 622 Mbit/s 7560 2.5 Gbit/s 30240 10 Gbit/s 120960 40 Gbit/s 483840 Tableau 1:Débits utilisés en transmission SDH.   Le transport optique de linformation est prévu, mais le routage se fait électroniquement. Pour les faibles débits, lélectronique convient tout à fait, mais lorsque celui ci augmente, elle est moins adaptée. En effet, la matrice de commutation électronique devient trop grosse (et devient inadaptée lorsque le débit est faible) ; de même, lélectronique pour des débits importants reste difficile à réaliser et est de ce fait coûteuse. Enfin, les conversions optique/électronique et électronique/optique sont également onéreuses.     1-2. Internet Protocol.   La SDH utilise des connections orientées circuits, cest à dire que les circuits de télécommunications sont réservés à lutilisateur et lui donnent accès à un débit fixe. Au contraire, IP est orienté paquet, cest à dire que linformation est découpée en paquets de données qui sont transmis à débit variable sur un tuyau de communication qui nest pas réservé.

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  Pour la commutation de paquet, lélectronique actuellement utilisée est également un frein à la montée en débit des réseaux. Un commutateur électronique pour des débits élevés est complexe, les performances sont donc plus difficiles à atteindre et la gestion du software, plus lourde que pour un commutateur optique. Donc, plus la commutation est complexe, plus loptique sera avantageuse (coût et gestion).   1-3. Loptique dans les réseaux actuels. Actuellement, loptique est utilisée dans toutes les transmissions haut-débit des réseaux de télécommunications, aussi bien pour les transmissions sous-marines que terrestres. Grâce à la grande capacité de transmission disponible dans la fibre, avec la technique du multiplexage en longueur donde (WDM : Wavelength Division Multiplexig), on peut transmettre de très grandes capacités dans une seule fibre (800 Gbit/s voire plus dans les systèmes du commerce, 10 Tbit/s pour les records en laboratoires de recherche). De plus, lamplificateur optique (EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier) a permis dallonger les distances de transmission. Cependant, les nœuds de routage sont essentiellement électroniques. Parfois des technologies optiques sont utilisées pour la commutation dans les nœuds de routage, mais là encore, lélectronique revient pour les interfaces de ces nœuds avec les liens de transmission.       Nous allons voir comment interviendront les commutateurs tout-optiques des futurs nœuds de routages optiques dans les réseaux à fibre.    

Figure 1: Un réseau de transport optique.

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2. La commutation tout optique dans les réseaux à fibre. Nous avons vu précédemment que la commutation optique intervenait dans les nœuds de communication des réseaux à transport optique de linformation. Mais au sien même dun nœud, plusieurs fonctions sont possibles. Il convient alors de choisir son commutateur en fonction de certains critères. 2-1. Applications potentielles Il est possible dutiliser un commutateur optique pour plusieurs applications. La protection, ou sécurisation, des liaisons de transmission à haut débit constitue lapplication la plus simple de la commutation optique. Les autres applications, dans les réseaux de télécommunications, sont nettement plus complexes, soit par la taille des matrices mises en jeu, soit par les temps de reconfiguration nécessaires. Ces applications visent à réaliser des fonctions de réseau que nous classerons par complexité décroissante du point de vue de la commutation optique. 2-1-1. La protection. Il sagit, en cas de défaillance ou de défaut dune liaison de transmission, de détecter le défaut ou la dégradation puis de basculer le trafic transporté par cette liaison sur une liaison de secours. Les matrices à réaliser sont de petites tailles (10×10 au maximum), les temps de régénération sont, en général, assez longs (de lordre de la seconde). 2-1-2. La commutation. La commutation proprement dite (au sens traditionnel de commutateur dabonnés ou de transit ou de commutateur de paquets), qui représente le problème le plus complexe puisquil faut traiter un très grand nombre dentrées-sorties (quelques milliers ou plus) et, dans le cas dune commutation temporelle, avoir accès aux éléments binaires correspondant à chaque communication. Ceci implique des temps de commutation élémentaire inférieurs à la microseconde ou même à la nanoseconde. 2-1-3. Le brassage. Le brassage, qui correspond au mélange, entre les différents multiplex entrant dans le brasseur et les multiplex qui en sortent, des affluents, ou trains de débits inférieurs, qui composent ces multiplex. Cette fonction sapparente à la commutation proprement dite, mais avec des dimensions de matrices sensiblement inférieures (quelques centaines). 2-1-4. Linsertion/extraction. Linsertion/extraction, cas particulier de brassage, qui consiste à pouvoir extraire et insérer, en un point dune liaison de transmission, un ou plusieurs affluents. Cette fonction est particulièrement utile dans les architectures en boucle. La figure 2 donne un exemple dune boucle sécurisée, à haut débit, dans laquelle on souhaite, en plusieurs points, extraire et insérer des débits plus faibles, par lintermédiaire déquipements appelés multiplexeurs dinsertion/extraction (ou OADM :Optical Add/Drop Multiplexers).  

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Multiplexeur  insertion/extraction 

s urécatisnio   Figure 2: Boucle haut débit à insertion/extraction.

2-1-5. La répartition.  La répartition consiste à pouvoir connecter nimporte quelle liaison dun faisceau entrant sur nimporte quelle liaison dun faisceau sortant, sans modifier les signaux transportés par ces lignes. Cette fonction sert à reconfigurer un réseau de transmission en fonction de létat du réseau ou des variations de trafic, donc la vitesse de commutation nest pas, en général, un paramètre critique. Le nombre dentrées-sorties peut atteindre 512 ou plus.

En plus des applications énumérées précédemment, qui concernent des fonctions du réseau, il existe dautres applications très importantes de la commutation optique : les interconnexions optiques reconfigurables, qui sont étudiées pour régler les problèmes posés par les interconnexions électriques multiples et à hauts débits entre bâtis ou entre cartes ou entre puces. Bien que certaines technologies étudiées dans ce cadre puissent également être utilisées pour réaliser des fonctions de commutation “réseau”, nous exclurons ces problèmes dinterconnexion de cet étude.

2-2. Paramètres principaux pour un commutateur optique Les diverses applications de la commutation optique peuvent être classées en fonction dun petit nombre de critères. 2-2-1. Temps de reconfiguration. Parmi les critères pertinents, le temps de reconfiguration total (tc) de la machine de commutation, cest-à-dire le temps mis pour changer de configuration entre les entrées et les sorties, est probablement le plus important. On distingue entrecommutation lente, où le processeur est régi par ladministration du réseau, (tc typiquement plus grand que la milliseconde ou quelques centaines de microsecondes) etcommutation rapide, où le processeur se reconfigure au rythme des trames ou des paquets (tc de lordre de quelques microsecondes ou inférieur). Ce temps de reconfiguration impose évidemment des contraintes sur les temps de commutation élémentaires des points de connexion.

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2-2-2. Nature des signaux à commuter. Une deuxième distinction importante tient à la nature des signaux à commuter, paquets ou circuits : -Mode paquet: Enmode paquet (figure 3), les signaux se présentent sous la forme de paquets déléments binaires de longueur fixe (exemple de la cellule ATM*) ou variable (liaisons informatiques) qui doivent être aiguillés au rythme de leur arrivée. Un traitement logique de len-tête, qui transporte ladresse du paquet, est alors nécessaire pour connaître lacheminement du message. Le chemin physiquement établi à lintérieur du commutateur est alors maintenu pendant le temps correspondant à la charge utile transportée par le paquet. Un autre traitement logique peut aussi être nécessaire pour transformer ladresse du paquet en vue de son traitement par le processeur suivant.     en +  modification en-tête   tête    ylesAna   messa e  en-tête   ndmae cmo                        -Mode circuit : Larchitecture du commutateur doit également résoudre les conflits dadresse (cas de deux paquets destinés à la même sortie, au même moment) ; enmode circuit(figure 4), le signal est commuté entre une entrée et une sortie fixées pendant le temps dune communication : le chemin entre lentrée et la sortie peut être soit physiquement maintenu pendant toute la durée de la communication (cas dun multiplex fréquentiel), soit périodiquement rétabli, à la fréquence trame, pendant la durée dun élément binaire (cas dun multiplex temporel). Dans ce dernier cas on parle de commutation numérique ou commutation temporelle.                

     Figure 4: Principe de la commutation de circuit.

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2-2-3. Taille de la matrice. Un autre paramètre évident et fondamental est la taille de la matrice totale de commutation à réaliser, qui peut varier de quelques entrées-sorties à quelques centaines ou milliers dentrées- sorties, et même éventuellement beaucoup plus. 2-2 4. Propriété de blocage. - La propriété de blocage dune matrice de commutation est également un critère important. − Non bloquante : Une matrice est non bloquante si lon peut établir toutes les configurations possibles entre les entrées et les sorties. −Ré-arrangeable non bloquante : Une matrice ré-arrangeable non bloquante est une matrice non bloquante à laquelle on ne peut pas établir de nouvelle connexion sans en déconnecter ou réarranger dautres. −Strictement non bloquante : Une matrice est strictement non bloquante est une matrice non bloquante à laquelle on peut ajouter une nouvelle connexion sans déranger les autres.   On cherche généralement à avoir des matrices strictement non bloquantes. 2-2-5. Type de connectivité. Plusieurs types de configurations de connexions sont possibles entre les entrées et les sorties dun commutateur. - Point-à oint :  réesent -p une entrée peut être connectée à une seule sortie en même temps et une sortie à une seule entrée en même temps. - Point-à-multipoint : une entrée peut être connectée à plusieurs sorties simultanément et un sortie à une seule entrée en même temps. - Multipoint-à-point :   une entrée peut être connectée à une seule sortie et une sortie peut être connectée à plusieurs entrées simultanément.  - Multipoints-à-multipoint : Multipoint-à- une entrée peut être connectée à plusieurs soties et point une sortie peut être connectée à plusieurs entrées. Figure 5:Types de connectivité.     Remarques importante: les configurations multipoint-à-point et multipoint-à-multipoint ninterviennent pas en optique pour des problèmes évidents de diaphonie.

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sorties Point-à- point

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Point-à- multipoint