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Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 1 1 Métrologie des fibres optiques 5 ème Electricité - Télécommunications II Marc Wuilpart / Véronique.

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1 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 1 1 Métrologie des fibres optiques 5 ème Electricité - Télécommunications II Marc Wuilpart / Véronique Moeyaert / Patrice Mégret Réseaux de transmission photoniques

2 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 2 Intérêt de la métrologie Normalisation Mesure de latténuation Mesure de la longueur donde de coupure Mesure du diamètre de champ de mode Mesure de la dispersion chromatique Mesure de la dispersion modale de polarisation Mesures réflectométriques Plan de lexposé

3 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 3 Une liaison contient différents types de composants caractérisés par de nombreux paramètres

4 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 4 Pourquoi un intérêt dans la métrologie des fibres optiques ? Caractérisation des fibres par le fabricant. Caractérisation des fibres dans les laboratoires de recherche. Caractérisation des fibres câblées par le câblier (Opticable - Nexans-, Câbleries dEupen, …). Caractérisation des fibres par linstallateur après la pose et avant la livraison du réseau. Caractérisation des fibres par le propriétaire du réseau optique avant la location de fibres à un tiers. Maintenance du réseau optique.

5 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 5 Reproductibilité et précision sont deux caractéristiques importantes dun dispositif de mesure

6 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 6 La normalisation est vitale pour assurer un bonne reproductibilité des mesures Les organismes de normalisation définissent les paramètres des fibres optiques et les procédures de mesure.

7 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 7 LITU-T définit les caractéristiques géométriques, mécaniques et optiques attendues des fibres optiques ITU-T G : Définitions et procédures de mesures pour les caractéristiques linéaires et déterministes des fibres optiques. ITU-T G : Définitions et procédures de mesures pour les caractéristiques non linéaires et statistiques des fibres optiques. ITU-T G.651 : Câbles à fibres optiques multimodes à gradient dindice (50/125 µm). ITU-T G.652 : Câbles à fibres optiques monomodes. ITU-T G.653 : Câbles à fibres optiques monomodes à dispersion décalée. ITU-T G.654 : Câbles à fibres optiques monomodes à longueur donde de coupure décalée. ITU-T G.655 : Câbles à fibres optiques monomodes à dispersion décalée non nulle.

8 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 8 Caractéristiques principales des fibres selon les recommandations de lITU

9 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 9 Atténuation A, atténuation spectrale A( ) et atténuation linéique L Atténuation spectrale A( ) [dB] Atténuation linéique ( ) [dB/km] (pour une fibre uniforme)

10 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 10 Latténuation linéique est représentée par la pente dune droite Pente = - [dB/km] z z1z1 z2z2 Méthode du cut-back (fibre courte/fibre longue) pour la mesure de latténuation linéique. Méthode destructive utilisée en laboratoire! Mesure de P(0), P(L) et L Précision de P(0) ?

11 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 11 La méthode du cut-back pour la quantification de latténuation est précise mais destructive (Fibre courte) (Fibre longue) Empêche la propagation sur la fibre courte des autres modes que LP 01 Favorise la conversion des modes de gaines en modes de rayonnement Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»

12 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 12 Principe du calcul et principe de mesure de latténuation linéique spectrale Fibre longue Fibre courte Atténuation linéique : Atténuation linéique spectrale ( ) : Méthode du cut-back à différentes longueurs donde (source accordable en longueur donde ou source large bande suivie dun monochromateur).

13 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 13 Résultat de mesure de latténuation spectrale ( ) [dB/km] Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» Sensibilité du wattmètre

14 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 14 La longueur donde de coupure est la longueur donde au- dessus de laquelle la fibre est monomode Tiré de Senior «Optical Fiber Communications» V=2,4 Monomode Multimode

15 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 15 Définition de la longueur donde de coupure effective Longueur donde de coupure effective par opposition à la longueur donde de coupure théorique. Par définition : longueur donde pour laquelle le rapport entre la puissance totale, y compris les modes injectés dordre plus élevé, et la puissance en mode fondamental vaut 0.1 dB. Mesure = utiliser la variation en longueur donde de la puissance transmise par un court tronçon de fibre par rapport à une puissance émise de référence

16 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 16 Méthode de mesure de la puissance émise pour les fibres optiques Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» < 10 nm Lintervalle de longueur donde doit couvrir la longueur donde de coupure. Stabilité en intensité et en longueur donde pendant la mesure. Les modes LP 01 et LP 11 soient injectés dans le fibre

17 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 17 Protocole de mesure de la méthode de mesure Première étape : –Faire uniquement la boucle A de 14 cm de rayon –Mesurer P 1 ( ) qui correspond A la propagation de LP 01 et LP 11 si < cutoff A la propagation de LP 01 si > cutoff Deuxième étape (sans changer linjection et la détection) : –Ajouter la boucle B de 3 cm de rayon –LP 11 est très sensible à la courbure lorsque cutoff –Mesurer P 2 ( ) (= puissance de référence) qui correspond à la propagation du seul mode LP 01 lorsque > ( cutoff - ) Quelques dizaines de nm

18 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 18 Détermination de la longueur donde de coupure effective Calcul de R( ) à partir des puissances mesurées : La longueur donde effective est la longueur donde pour laquelle le rapport R( ) vaut 0.1 dB Mise en œuvre délicate de la méthode : –ne pas introduire de torsion dans les boucles. –ne pas modifier les conditions dinjection et de détection. Mesures de laboratoire

19 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 19 Exemple de résultat de mesure Technique de la laboratoire cc < c conditions expérimentale pour les cables très importantes pour simuler les conditions de terrain. Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»

20 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 20 from Keiser, "Optical Fiber Communications"from Senior, "Optical Fiber Communications" Le MFD est déterminé à partir de la distribution du champ électrique du mode LP 01. Modèle le plus souvent considéré : Le MFD est défini par Le diamètre de champ de mode est un paramètre fondamental

21 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 21 Méthode de mesure Mesure du champ lointain F²( ) en fonction de et calcul de MFD. Ou méthodes alternatives dont Champ proche Mesure de lintensité f²(r) du champ proche en fonction de la coordonnée radiale r Calcul de MFD selon : Calcul numérique délicat Précision moins bonne Utilisation plus facile

22 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 22 < 10 nm > cutoff Quelques mètres de la fibre à mesurer LP 01 uniquement Projection agrandie du champ proche à la sortie de la fibre Mesure de f²(r) Calcul de MFD Dispositif de mesure du diamètre de champ de mode par la méthode de mesure du champ proche

23 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications nm 1550 nm Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» Prédétermination des pertes de couplage : Exemple de mesure de f 2 (r) pour une fibre dopée à lErbium

24 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 24 Effet de la dispersion (intermodale, chromatique ou modale de polarisation) La dispersion dun signal optique dans une fibre optique provoque des distorsions pour des systèmes de transmissions tant numériques que analogiques. Dans un système de transmission numérique, le mécanisme de dispersion induit un élargissement temporel de limpulsion émise à mesure de sa progression dans la fibre. Cela réduit la bande passante de la fibre et induit de linterférence entre symboles (ISI) from Senior, "Optical Fiber Communications", Prentice Hall, 1992 L

25 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 25 Cest la courbe de dispersion qui définit les propriétés de dispersion dune fibre

26 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 26 Méthodes de mesure de la dispersion chromatique Méthode du délai –Mesure à différentes de la différence entre le délai de groupe d'impulsions dans une fibre de référence et le délai de groupe des même impulsions dans la fibre à tester. Méthode interférométrique –Permet la mesure sur de petites longueurs de fibre. Basée sur l'interférence entre deux trains d'ondes, issus du bras de test de l'interféromètre et du bras de référence. Si la différence des délais de groupe est inférieure au temps de cohérence, les signaux recombinés à la sortie de l'interféromètre donneront naissance à un spectre d'interférence. En modifiant, on construit la courbe du délai de groupe donc, de D( )

27 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 27 Méthodes de mesure de la dispersion chromatique Méthode de la déviation de phase (phase shift technique) –Mesure de la valeur du délai de groupe en fonction de chaque longueur donde grâce à la mesure de la déviation de phase subie par un faisceau monochromatique modulé sinusoïdalement traversant la fibre à tester. La différence de phase vaut : Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» Opération de dérivation précision

28 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 28 But : ne pas devoir différencier le délai de groupe mais accéder directement à la valeur de D( ) car, si l'écart des longueurs d'onde n'est pas trop grand, Il suffit de superposer une modulation de longueur d'onde à la modulation sinusoïdale d'intensité pour détecter la déviation de phase différentielle et donc le délai de groupe différentiel. La phase ( ) est connue modulo 2 ! incertitude La méthode de la double démodulation évite la dérivation

29 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 29 Principe de fonctionnement V 1 =k. 1 et V 2 =k. 2 Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»

30 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 30 Résultats

31 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 31 Résultats

32 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 32 Méthode de mesure de la dispersion chromatique par comptage de photons Tiré de Huttner et al, Photon-counting techniques for fiber measurement; lightwave, August 2000

33 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 33 La PMD résulte de la biréfringence et du couplage de modes

34 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 34 Techniques de caractérisation Trois méthodes de mesure sont discutées dans les organismes de normalisation : –La technique de lanalyseur fixe –La méthode interférométrique –La Jones Matrix Eigen-analysis (JME) La quantité mesurée est une quantité statistique, évaluée sur une population déchantillon finie (t, ).

35 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 35 La méthode de lanalyseur fixe nécessite une source large bande

36 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 36 La méthode JME nécessite la mesure des matrices de Jones de la fibre Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» Le polarimètre mesure la matrice de Jones de la fibre T( ) à deux longueurs donde successives :

37 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 37 Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» Exemple de résultat La méthode JME fournit de linformation sur la statistique de la PMD. Sensible aux vibrations (méthode de labo)

38 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 38 La méthode interférométrique utilise un interféromètre de Michelson Insensible aux vibrations (méthode de terrain) Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»

39 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 39 La précision dépend de lintervalle de longueur donde utilisé pour la mesure

40 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 40 Mise en œuvre de la technique de mesure réflectométrique : lOTDR OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) –Basé sur la mesure de la diffusion Rayleigh. –Equipement analysant le temps écoulé entre linjection dune impulsion optique et les multiples réflexions de cette impulsion. –La vitesse de propagation est connue dans la fibre, la distance des éléments réflectifs est donc également connue. Permet de : –Localiser les défauts dune liaison optique à partir dune seule extrémité. –Mesurer la longueur de fibre, latténuation linéique, la perte dinsertion et le return loss de connecteurs et dépissures. Equipement de 1310 nm, 1550 nm et 1625 nm.

41 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 41 Technique de mesure basée sur la rétrodiffusion de Rayleigh Une fraction du signal diffusé est recapturée par la fibre optique et se propage vers la source. Cest la rétrodiffusion de Rayleigh (au moins présente de 800 à 1750 nm). Une discontinuité (variation brusque de lindice de réfraction = fin de fibre, défaut, connecteur,...) provoque une diffusion locale supplémentaire ou une réflexion et fait varier la puissance du signal rétrodiffusé. Signal mesuré à lOTDR

42 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 42 LOTDR est un outil très utilisé dans le domaine des fibres optiques Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» LOTDR mesure la puissance rétrodiffusée en fonction du temps t. La puissance rétrodiffusée mesurée au temps t correspond au point de diffusion situé à une distance z avec :

43 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 43 Pour des courtes impulsions ( t W<<1) Si Si W est la largeur de limpulsion La puissance mesurée à lOTDR dépend de latténuation de la fibre et de la durée des impulsions Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» provient de la zone de rétrodiffusion

44 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 44 Le signal rétrodiffusé mesuré par lOTDR en un instant t = 2t 1 correspond en fait à la somme intégrée de la lumière rétrodiffusée entre les distances z W/2 et z Zone de rétrodiffusion

45 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 45 LOTDR affiche cinq fois le logarithme en base dix de la puissance mesurée au détecteur. En procédant de la sorte, on peut montrer quune fibre optique homogène est caractérisée par une ligne droite dont la pente est latténuation exprimée en dB. Pente = - [dB/km] z La pente de la trace OTDR nous renseigne sur latténuation linéique de la fibre

46 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 46 Ce concept peut être généralisé pour une concaténation de plusieurs fibres Atténuations différentes Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»

47 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 47 Les deux défauts ponctuels sont résolus au récepteur lorsque les impulsions réfléchies en z 1 et z 2 ne se chevauchent pas, cest-à-dire lorsque : La longueur de résolution dépend de la largeur des impulsions

48 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 48 Perte dinsertion et return loss Soit un évènement en z d : Perte dinsertion : Return loss :

49 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 49 Evaluation de IL[dB] et RL[dB] La perte dinsertion (IL) dun événement situé en z d est la différence de puissances en z d + et en z d -. Le return loss (RL) est fonction de : –la hauteur H [dB] du pic de réflexion en z d associé au défaut. –la durée T [s] de limpulsion utilisée. –la puissance rétrodiffusée par la fibre optique B s exprimée en dB en-dessous du niveau de puissance incidente pour une impulsion de une seconde. –on peut montrer que : IL

50 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 50 Exemple de trace OTDR montrant le calcul du Return Loss

51 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 51 Une trace OTDR fournit un grand nombre dinformations sur la liaison optique

52 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 52 Dynamique dun OTDR Par définition : –Perte maximale mesurable (one way) : différentes définitions ! – 35 à 40 dB pour un équipement classique. –Dépend de la largeur et de la puissance de crête de limpulsion, cest-à-dire de lénergie injectée dans la fibre. –Dépend de la longueur donde de lOTDR (P(0) doit si ). Améliorable en augmentant le nombre de mesures et en calculant la moyenne des résultats obtenus. Il existe un compromis entre dynamique et résolution

53 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 53 Présence de pics fantômes = pics ne correspondant pas à un événement réel

54 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 54 Zone morte (dead zone) Observée à la suite dun défaut réflectif. Due au temps de relaxation du photodétecteur après saturation et dépend de la largeur de limpulsion de travail. Définie comme la distance à partir de laquelle le niveau de puissance est revenu à X dB du niveau normal de la puissance rétrodiffusée (typiquement 0.5 dB).

55 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 55 Pourquoi travailler à 1625 nm? Monitoring maintenant le service actif à 1310 ou 1550 nm. Sensibilité aux macrocourbures augmente si augmente. (Confinement dans le cœur diminue)

56 Service dÉlectromagnétisme et de Télécommunications 56 from Keiser, "Optical Fiber Communications" Lorsque V, le pourcentage dénergie dans le coeur. Lorsque V, le pourcentage dénergie dans lenveloppe. Les grandes longueurs donde sont plus sensibles à la courbure


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