Parmi les avantages des réseaux optiques, on peut citer une portée accrue, des débits de transmission plus élevés et la transparence. Cependant, ces atouts s'accompagnent d'une complexité accrue en matière de surveillance et de gestion des pannes. Les réseaux transparents nécessitent la gestion des pannes au niveau de la couche physique, où les techniques de surveillance des performances optiques doivent garantir la qualité de plusieurs canaux WDM à haut débit et détecter toute dégradation potentielle. La dégradation du signal dans un réseau optique se divise en trois grandes catégories : le bruit, la distorsion et la gigue. Le bruit typique inclut le RIN et l'ASE. Les signaux peuvent également subir une distorsion due à la dispersion chromatique, au chirp et à des effets non linéaires tels que le mélange à quatre ondes ou la diffusion Raman. Enfin, la gigue constitue une limitation importante pour les haut débits. Dans des articles précédents, nous avons analysé en détail les procédures de mesure et de caractérisation de nombreuses dégradations, en présentant plusieurs instruments de laboratoire facilitant ces tâches.
Cependant, ces paramètres ne sont généralement pas adaptés au contrôle en temps réel de la qualité des signaux.
Le paramètre clé pour le suivi des performances d'un système de communication numérique est le taux d'erreur binaire (TEB). Ce paramètre détermine en définitive la qualité du signal numérique. Cependant, la mesure du TEB nécessite la photodétection du signal dans le cas d'un réseau optique. Par conséquent, un paramètre alternatif est nécessaire, corrélé au taux d'erreur binaire mais, contrairement à ce dernier, mesurable relativement facilement dans le domaine optique. Heureusement, ce paramètre existe : il s'agit du rapport signal sur bruit optique (OSNR). La relation entre ce paramètre et le taux d'erreur binaire est donnée par l'expression suivante (CEI 61280-2-7) :

L'OSNR étant une mesure de la puissance moyenne, il ne peut révéler ni les dégradations temporaires des données, ni certaines erreurs binaires. Cependant, sa corrélation avec le BER, via l'expression ci-dessus, fournit des informations préliminaires sur les performances du réseau, ce qui en fait un paramètre très utile pour la surveillance en temps réel des canaux WDM et contribue à la génération de signaux d'alarme indiquant une possible dégradation du BER.

Définition et mesure du rapport signal sur bruit optique (OSNR) à l'aide d'un analyseur de spectre optique (OSA) :
L'OSNR est défini comme le rapport entre la puissance moyenne du signal et celle du bruit pour un canal optique donné. Typiquement, chaque canal est constitué d'une lumière modulée quasi monochromatique (signal) sur une large bande passante, avec une densité de puissance de bruit répartie entre les amplificateurs optiques. Ce bruit provient principalement des amplificateurs optiques (bruit ASE). Le spectre optique résultant est similaire à celui présenté sur la figure 1. L'OSNR (en dB) peut alors être calculé comme suit :

où S représente la puissance moyenne (linéaire) du signal et N la puissance moyenne (linéaire) du bruit sur la bande passante équivalente du canal. L'analyseur de spectre (OSA) utilisé pour la mesure possédant une bande passante de résolution (RBW), les mesures du signal et du bruit dépendent de cette valeur spécifique ;
certaines précautions doivent donc être prises.
La bande passante de résolution doit être suffisamment large pour englober le signal modulé. Dans ces conditions, la valeur de puissance maximale du canal inclut la puissance totale du signal plus le niveau de bruit de fond. La valeur de puissance du signal S (linéaire) est alors obtenue en soustrayant le niveau de bruit de cette valeur maximale. Pour déterminer le niveau de bruit, les deux côtés du canal doivent être balayés sur une distance suffisamment grande pour que le bruit de fond ne soit pas affecté par les amplitudes du signal. La valeur du bruit peut ensuite être obtenue par interpolation quadratique, comme illustré sur la figure 2 (ligne pointillée).

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Les traces ayant été obtenues avec une bande passante de résolution spécifique, les valeurs doivent être corrigées en fonction de la bande passante équivalente. Ce calcul consiste simplement à multiplier la valeur OSNR (linéaire) mesurée pour une bande passante RBW par le facteur RBW/BW, où BW désigne la bande passante de bruit équivalente (généralement la bande passante du canal).
La précision obtenue avec cette procédure de mesure est excellente. Cependant, dans le cas des réseaux DWDM où l'espacement entre les canaux est très faible, la mesure devient problématique. La figure 3 présente le spectre optique de plusieurs canaux DWDM avec modulation RZ à 10 Gbit/s et un espacement normalisé ITU de 50 GHz (0,4 nm). On constate que l'espace spectral entre les canaux pour la surveillance est très réduit. Cela signifie que, lorsque l'OSNR est élevé, le niveau de bruit mesuré près de 1566 nm, où l'un des canaux est désactivé, est très différent du niveau de puissance minimal observé entre les canaux. En général, les signaux à 10 Gbit/s nécessitent un espacement minimal entre les canaux de 100 GHz pour obtenir des résultats de surveillance OSNR satisfaisants. De plus, le passage des canaux à travers un OADM ou un OXC influe également sur les mesures de rapport signal sur bruit optique (OSNR), car le bruit de fond est affecté par la réponse des filtres optiques et la longueur d'onde des canaux change. Par conséquent, des canaux adjacents peuvent avoir emprunté des chemins différents au sein du réseau et présenter des niveaux de bruit différents. Ainsi, outre un espacement minimal entre les canaux, un spectre suffisant est également requis pour estimer les deux niveaux de bruit indépendants.

Enfin, le taux de réjection optique (ORR) d'un analyseur de spectre optique (OSA) détermine sa capacité à mesurer de faibles signaux proches d'un pic. Il est défini comme le rapport entre la puissance mesurée à une certaine distance du pic et la puissance au pic du filtre de l'OSA pour un signal d'entrée à bande passante étroite (fonction delta équivalente de la largeur de raie, bien inférieure à la bande passante de réponse). Les fabricants d'OSA spécifient ce paramètre à 0,1, 0,2 et 0,4 nm du pic. Conformément à la norme CEI 61280-2-9, un ORR supérieur d'au moins 10 dB à la valeur maximale du rapport signal sur bruit optique (OSNR) à mesurer est requis. Ainsi, pour mesurer, par exemple, un OSNR de 25 dB à 0,2 nm d'un canal (équivalent à 25 GHz à 1550 nm), un instrument avec un ORR d'au moins 35 GHz est nécessaire, ce qui garantit une imprécision de mesure inférieure à 0,42 dB. À titre d’exemple, la figure 4 montre l’erreur commise dans la mesure OSNR lors de l’utilisation d’un OSA avec une valeur ORR limitée.

optique (OSNR) par analyseur
de spectre optique (OSA), d'autres techniques permettent de mesurer le niveau de bruit au sein même du canal optique. La difficulté réside alors dans la distinction entre le bruit et le signal, d'autant plus que le signal de données est aléatoire et se comporte souvent comme du bruit. Pour pallier ce problème, une technique repose sur l'utilisation de la polarisation du signal optique. En général, un signal optique possède un état de polarisation bien défini, tandis que le bruit est dépolarisé. Le taux d'extinction de polarisation constitue donc une mesure de l'OSNR. Cependant, les signaux optiques subissent des variations de polarisation dans les liaisons par fibre optique en raison de la dispersion de mode de polarisation (PMD), variations qui doivent être compensées pour que la technique reste valide.

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Une autre technique de mesure du rapport signal sur bruit optique (OSNR) intra-canal repose sur la capture du spectre d'amplitude des données et la surveillance de zones spécifiques de ce spectre où le signal est absent. Cette technique implique une surveillance aux basses fréquences, aux hautes fréquences ou à des points d'annulation spécifiques du spectre. Cependant, la surveillance aux basses fréquences est affectée par le bruit résiduel, les fluctuations dépendantes du motif et les effets de modulation croisée du gain des amplificateurs optiques. De plus, de nombreuses sources de bruit (par exemple, les interférences multi-trajets ou MPI) ont une forte influence aux basses fréquences, ce qui conduit à une surestimation de la mesure du bruit. À l'inverse, aux hautes fréquences, ce bruit est masqué par le bruit ASE (bruit blanc) indépendant de la fréquence. À ces fréquences, les mesures sont plus sensibles aux effets dispersifs qui provoquent des évanouissements. En résumé, ces méthodes complexifient la gestion des défauts de réseau car elles ne mesurent pas directement le bruit porté par le signal, mais l'extrapolent aux hautes ou basses fréquences. La surveillance des sous-porteuses optiques a également été utilisée pour la mesure directe de l'OSNR et sa corrélation avec le rapport signal sur bruit électrique (SNR) à la sortie du récepteur. L'avantage de cette technique réside dans sa capacité à surveiller en temps réel la propagation du signal de données à travers le réseau.
Enfin, les techniques de surveillance spectrale électronique, basées sur la mesure du bruit dans le spectre des données, sont très prometteuses pour la gestion des pannes, car elles permettent la mesure directe du bruit présent dans les données. Parmi ces techniques, on peut citer la surveillance des trames de signal SONET, l'annulation homodyne du signal et l'analyse RF à bande étroite à la moitié de la fréquence d'horloge. Dans les articles suivants, nous analyserons plus en détail certaines de ces techniques, ce qui nous permettra d'évaluer leurs caractéristiques et leurs performances. Il convient de noter, cependant, que la méthode la plus courante de mesure du rapport signal sur bruit optique (OSNR) est celle présentée dans cet article, et qu'elle est mise en œuvre par la grande majorité des analyseurs de spectre optique disponibles sur le marché.
À titre d'exemple, la figure 5 présente un écran de résultats de l'un de ces analyseurs, où l'on peut observer les mesures d'OSNR pour deux des canaux WDM.

 

Documents de référence

CEI 61280-2-7 : « Procédures d’essai des sous-systèmes de communication par fibre optique – Partie 2-7 : Analyse des données du taux d’erreur binaire en fonction de la puissance reçue pour les systèmes numériques à fibre optique ».
CEI 61280-2-9 : « Procédures d’essai des sous-systèmes de communication par fibre optique – Partie 2-9 : Systèmes numériques – Mesure du rapport signal sur bruit optique pour les systèmes à multiplexage dense en longueur d’onde ».

 

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Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications.
Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence.