Alternative viable pour la FTTH de nouvelle génération : la technologie WDM-PON

Introduction

Ces dernières années, la plupart des déploiements FTTH ont reposé sur des technologies standard du secteur, telles que le réseau optique passif Gigabit Ethernet (GEPON) et le Gigabit PON (GPON). Le succès de ces déploiements a conduit à des innovations significatives, tant dans l'architecture système que dans les composants utilisés pour les construire. La prochaine génération de réseaux optiques passifs sera inévitablement bien plus avancée que les réseaux actuellement déployés.

À l'avant-garde du développement des réseaux PON, deux approches distinctes semblent se concurrencer pour les systèmes de nouvelle génération : le PON 10 Gbit/s (10G EPON ou 10G GPON) et le WDM-PON. Chaque approche présente ses propres avantages et ses propres difficultés, mais les progrès de ces deux nouvelles technologies se sont accélérés ces dernières années. Dans cet article, nous nous concentrerons sur le WDM-PON et examinerons certains des défis et des nouvelles technologies qui en font un concurrent très viable pour les plateformes de nouvelle génération. Si le WDM-PON a déjà connu un succès précoce en Corée, son adoption dans d'autres régions du monde a été freinée par des coûts relativement élevés par rapport aux technologies GEPON et GPON. La situation semble évoluer, le WDM-PON étant en concurrence directe avec le PON 10G et les systèmes point à point (P2P) pour les déploiements FTTH de nouvelle génération.

Architecture :
L’architecture système d’un réseau WDM-PON ne diffère pas significativement de celle d’un système GEPON ou GPON plus traditionnel, bien que le fonctionnement exact du réseau soit totalement différent. Bien que nous n’aborderons pas tous les détails techniques dans cet article, le résultat final du WDM-PON est une longueur d’onde attribuée à chaque abonné. Cela contraste avec les architectures PON plus traditionnelles où un flux optique est partagé entre 32 utilisateurs ou plus. Dans ce cas, chaque foyer utilise la même longueur d’onde et se voit attribuer un intervalle de temps d’1/32e sur la fibre principale. En WDM-PON, chaque foyer se voit attribuer sa propre longueur d’onde et utilise la fibre en continu à cette longueur d’onde. La figure ci-dessous illustre une vue d’ensemble d’un réseau WDM-PON.

Dans un système PON standard, une seule fibre relie le central téléphonique (CO) à un quartier, où un répartiteur passif 1×32 répartit le signal optique vers 32 foyers. La quasi-totalité des technologies PON s'appuient sur le multiplexage en longueur d'onde (WDM) pour permettre les communications bidirectionnelles (BiDi). Par exemple, dans un système GPON classique, la communication montante s'effectue à une longueur d'onde de 1 310 nm, tandis que le trafic descendant s'effectue à 1 490 nm. Une troisième longueur d'onde, à 1 550 nm, est utilisée pour la superposition vidéo. L'utilisation du WDM dans les systèmes PON est donc déjà très courante. Cependant, dans un système GPON ou GEPON classique, tous les abonnés utilisent ces mêmes longueurs d'onde communes. Ils doivent donc partager l'infrastructure fibre, ce qui se fait par multiplexage temporel (TDM). Chacun de ces 32 foyers transmet sur la même fibre, mais le temps pendant lequel ils sont autorisés à « occuper » la fibre est alloué par le terminal de ligne optique (OLT) du central. Bien que l'équipement de chaque foyer soit capable de transmettre à plus de 1 250 Mbps, il ne peut le faire que pendant le temps qui lui est alloué sur la fibre, et il n'est donc pas rare que chaque abonné d'un système PON existant n'atteigne que des débits de données soutenus d'environ 30 Mbps.

Le partage d'une même fibre par de nombreux utilisateurs permet de minimiser l'infrastructure fibre nécessaire à un déploiement FTTH. Cependant, ce partage est l'un des principaux facteurs limitant les débits de données plus élevés pour les abonnés. Le WDM-PON permet d'utiliser la même infrastructure fibre, tout en permettant à chaque abonné d'accéder à la totalité des 1 250 Mbps disponibles. Plusieurs modifications du réseau sont nécessaires pour permettre cette évolution. La première nécessite le remplacement des répartiteurs passifs 1 × 32 par des démultiplexeurs passifs 1 × 32 canaux (par exemple, un DEMUX DWDM 32 canaux), généralement des réseaux de guides d'ondes en réseau (AWG) athermiques, comme illustré ci-dessus. Cela permet de transmettre 32 longueurs d'onde différentes sur la fibre commune, chaque foyer se voyant ensuite attribuer sa propre longueur d'onde.

Avantages

L’architecture WDM-PON présente plusieurs avantages par rapport aux systèmes PON plus traditionnels.

Défi des coûts

Le principal défi du WDM-PON est le coût . Chaque abonné se voyant attribuer une longueur d'onde spécifique, l'OLT doit donc transmettre sur 32 longueurs d'onde différentes, au lieu d'une longueur d'onde partagée comme c'est le cas dans les systèmes PON plus traditionnels. De même, chaque 32 foyers connectés à une liaison doit fonctionner sur une longueur d'onde distincte, ce qui implique que chaque ONT nécessite un laser accordable coûteux, capable d'être réglé sur la longueur d'onde adaptée à chaque foyer. Ce coût, notamment en termes de mise en service initiale, était un obstacle majeur à la conception initiale des systèmes WDM-PON.

Dans la plupart des systèmes WDM-PON, une source lumineuse à large bande au niveau du central envoie un signal d'amorçage à large bande aux émetteurs OLT afin de verrouiller leur transmission sur la longueur d'onde appropriée lors de la transmission des données sur la fibre principale. Sur le DEMUX AWG 32 canaux sur le terrain, ce signal est divisé en 32 fibres différentes, une longueur d'onde étant transmise à chaque fibre. Chaque fibre mène à un ONT distinct. Cette architecture ne nécessite aucun laser accordable au niveau de l'ONT, ce qui rend les ONT très compétitifs en termes de coût et, de fait, très similaires, sur le plan fonctionnel, aux ONT GPON plus traditionnels .

Solution R-SOA au défi des coûts

La plupart des systèmes WDM-PON modernes s'appuient désormais sur une technique appelée verrouillage par injection laser, qui permet aux lasers de type Fabry-Perot, relativement peu coûteux, de fonctionner à pratiquement n'importe quelle longueur d'onde souhaitée. Ce laser externe est appelé amplificateur optique à semi-conducteur réfléchissant (R-SOA).

Le changement le plus important par rapport aux autres architectures PON concerne l'OLT. Un OLT WDM-PON est relativement complexe par rapport à ses homologues GEPON ou GPON. Chaque abonné bénéficiant d'une longueur d'onde complète jusqu'à son domicile, il est donc nécessaire qu'il dispose de son propre émetteur-récepteur dédié dans l'OLT. Là encore, le verrouillage par injection rend cela possible. Le châssis de l'OLT intègre une source lumineuse large bande passante via un AWG à 32 canaux, alimentant ainsi chacun des 32 R-SOA distincts de l'OLT. Ces R-SOA sont directement modulés à 1,25 Gbit/s, chacun étant attribué à un abonné spécifique. Cela crée un système P2P haut débit, utilisant une installation de fibre optique PON relativement peu coûteuse.

Bien que les R-SOA et le verrouillage par injection contribuent à minimiser les coûts du WDM-PON, il est indéniable que les composants WDM-PON restent plus coûteux que les composants standard utilisés dans les réseaux GEPON et GPON. Cependant, aucune infrastructure PON existante n'offre des débits de données comparables à chaque abonné ; cette comparaison n'est donc pas totalement équitable. Actuellement, l'alternative PON la plus comparable serait le PON 10G de nouvelle génération, mais même le PON 10G ne peut égaler les débits de données du WDM-PON, puisque ces 10 Gbit/s sont partagés entre 32 utilisateurs. En termes de coût par Mbps, le WDM-PON est peut-être déjà l'option la plus économique pour les systèmes de nouvelle génération.

Solution PLC au défi des coûts

Le simple ajustement des composants existants pour réduire les coûts des systèmes WDM-PON ne suffira pas à rendre le WDM-PON compétitif par rapport aux autres solutions PON de nouvelle génération. Cela nécessite des technologies de composants entièrement nouvelles. L'accent est désormais mis sur les circuits à ondes lumineuses planaires (PLC) pour réduire la taille et les coûts des ONT et OLT WDM-PON. L'utilisation de la technologie PLC dans les applications PON n'est pas nouvelle.

Répartiteur basé sur PLC

La quasi-totalité des systèmes PON s'appuient sur des répartiteurs CPL 1×32 en extérieur, en raison de leur faible coût, de leur taille compacte et de leur simplicité. Ces répartiteurs optiques passifs ne nécessitent aucune alimentation et fonctionnent sur une très large plage de températures.

Émetteur-récepteur basé sur PLC.
L'utilisation d'émetteurs-récepteurs basés sur PLC a également contribué à réduire les coûts des ONT GEPON et GPON en regroupant toutes les fonctionnalités d'émetteur-récepteur en amont et en aval sur une puce optique. Ces PLC sont beaucoup plus complexes que les séparateurs optiques passifs et intègrent un filtrage WDM ainsi que des lasers, des détecteurs, des amplificateurs et des condensateurs, tous intégrés de manière hybride sur un substrat PLC commun. Les nombreuses avancées technologiques en matière d'intégration PLC au cours de la dernière décennie ont véritablement révolutionné les fonctionnalités réalisables sur une puce optique.

Les réseaux WDM-PON AWG basés sur CPL
commencent par remplacer le répartiteur de puissance 1×32 par un AWG athermique à 32 canaux. Plutôt que de répartir la puissance optique entre 32 foyers différents, l'AWG athermique répartit une longueur d'onde pour chaque foyer. Ces composants sont bien sûr également basés sur CPL, et leur conception athermique ne nécessite aucune alimentation. Cela permet à l'AWG athermique de remplacer le répartiteur de puissance 1×32 dans le même boîtier extérieur, de sorte que l'infrastructure fibre d'un déploiement WDM-PON est identique à celle d'un système PON plus traditionnel. Les AWG basés sur CPL utilisés dans ces systèmes sont importants, car ils remplissent simultanément trois fonctions :

Bien que l'utilisation de PLC dans ce nœud répartiteur sur tout système PON soit courante, voire la norme, leur utilisation dans d'autres parties d'un réseau WDM-PON gagne en importance. Les PLC peuvent réduire considérablement la taille des optiques OLT, permettant de déplacer tous les composants vers une seule carte, doublant ainsi la densité des modules OLT WDM-PON.

La technologie PLC a évolué ces dernières années pour offrir des fonctionnalités auparavant inaccessibles dans un format aussi compact. Pour les applications WDM-PON, l'objectif principal est de regrouper les composants émetteurs et récepteurs 32 canaux en modules intégrés compacts, permettant ainsi de regrouper toutes les fonctionnalités OLT sur une seule lame OLT. La technologie PLC permet l'intégration hybride de 32 photodiodes, TIA, condensateurs et autres sous-composants sur une puce AWG avec des rendements très élevés. Cette intégration est possible sur une puce de silicium d'environ 5 cm de long seulement. Le boîtier et l'électronique augmentent l'encombrement, mais permettent au final de doubler la densité de ports dans l'OLT. De même, les modules émetteurs basés sur PLC combinent les 32 canaux de filtrage WDM, ainsi que 32 émetteurs R-SOA et des moniteurs de puissance optique adaptés pour chaque canal. Ce niveau d'intégration, impossible il y a quelques années encore, permet aujourd'hui à certains réseaux WDM-PON de nouvelle génération de concurrencer le PON 10G en termes de coût et de densité de ports.

Du point de vue du niveau de service, aucune autre technologie PON, y compris le PON 10G, n'offre le même débit binaire à chaque foyer que le WDM-PON. La bande passante de 1 250 Mbit/s par utilisateur n'est comparable qu'aux systèmes P2P, mais le WDM-PON s'appuie sur une infrastructure fibre optique PON moins coûteuse. Les principaux défis qui ont impacté les déploiements WDM-PON, à savoir le coût et la densité des ports, commencent désormais à être résolus grâce à des composants intégrés moins coûteux basés sur des PLC.

Conclusion

Le plus grand défi restant pour les déploiements WDM-PON est peut-être l'élaboration d'une norme WDM-PON, similaire aux normes IEEE et UIT qui couvrent respectivement GEPON et GPON. Si les solutions 10G PON continueront d'exercer une pression importante sur les coûts, l'adoption d'une norme industrielle pour le WDM-PON permettra de concentrer les efforts de développement et de réduire les coûts des composants WDM-PON. À mesure que les défis initiaux liés aux coûts de mise en place et à la densité des ports OLT seront résolus, les déploiements WDM-PON continueront de croître. Cela constituera une alternative normative très viable au 10G PON et aux autres solutions FTTH de nouvelle génération.