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LES FIBRES OPTIQUES Pierre LECOY Professeur ECP /ENSEA Option ESE 2009.

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1 LES FIBRES OPTIQUES Pierre LECOY Professeur ECP /ENSEA Option ESE 2009

2 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE2 FIBRES OPTIQUES Avantages des fibres optiques : Performances de transmission : très faible atténuation très grande bande passante multiplexage en longueur donde possible Avantages de mise en oeuvre : faible poids, très petite taille, grande souplesse sécurité électrique (isolation) et électromagnétique Avantage économique : coût global du système souvent inférieur à celui d'un système sur cuivre 0,2 dB/km Portée > 100 km 10/40 Gbit/s par Plusieurs Tbit/s ! Insensible aux perturbations Sécurité des informations

3 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE3 Insensibilité aux perturbations FIBRES OPTIQUES Domaines dutilisation : Télécommunications et réseaux : Liaisons longue distance, terrestres et sous-marines (WAN) Réseaux métropolitains (MAN) Réseaux locaux informatiques (LAN) Réseaux daccès des abonnés Capteurs et instrumentation optique Transport de lumière Marché fortement cyclique Toujours en croissance Redémarrage du marché (FTTH) éclairage, visualisation, faisceaux laser … Liaisons industrielles et embarquées : contrôle, video, bus de terrain … interconnexions dans une carte ou une puce

4 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE4 FIBRES OPTIQUES Eléments dun système sur fibres optiques : signal électrique Interface Optique d'Emission Fibre Optique signal électrique (IOE) Interface Optique de Réception (IOR) (signal optique) multiplexeur Amplificateur optique (répéteur-régénérateur pour les anciennes liaisons)

5 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE5 revêtement FIBRES OPTIQUES MULTIMODES A saut dindice (step index) : Cône d'acceptance 0 z Cœur (indice n 1 )r a b Gaine (indice n 2 ) n(r) Rayon guidé Rayon réfracté Angle limite : n 1.cos 0 = n 2 ouverture numérique ON = sin 0 = n 1 sin 0 = Forte différence de temps de propagation

6 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE6 FIBRES OPTIQUES MULTIMODES A gradient dindice (graded index) : Cœur : indice n(r)r 0 z a b Gaine (indice n 2 ) n(r) n1n1 Indice du cœur : n(r) = n 1 Différence relative dindice = Faible différence de temps de propagation

7 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE7 FIBRES OPTIQUES MULTIMODES à saut dindiceà gradient dindice Dispersion intermodale élevée ( im 100 ns/km) faible ( im 1 ns/km) Matériaux Plastique Silice/silicone toute silice (rare) Toute silice (cœur « dopé » à loxyde de germanium) Ouverture numérique élevée (ON = 0,4 à 0,5) plus faible (ON = 0,2 à 0,3) Puissance couplée élevéeplus faible Applications Optiques (éclairage, etc …) Trans. données très courte distance réseaux locaux distribution

8 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE8 FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Réponse impulsionnelle h(t) : t Impulsion émise e(t) t Impulsions reçues s(t) = e(t)*h(t) im fibre à gradient d'indice im fibre à saut d'indice Effet de la dispersion intermodale Elargissement total dimpulsion : Effet de la dispersion chromatique

9 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE9 FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Réponse fréquentielle : - 3 dB 20 log H(f)/H(0) f 0 Bande passante : BP 1/2 BP (gi) fibre à gradient d'indice BP (si) fibre à saut d'indice en MHz.km le produit longueur x bande passante est constant approximativement

10 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE10 FIBRES OPTIQUES MONOMODES Condition de propagation monomode : V (fréquence réduite) = < 2,4 il faut donc : un petit diamètre de cœur (typ. moins de 10 µm) une faible différence dindice (typ. moins de 0,5%) c longueur donde de coupure Avantages : - pas de dispersion intermodale Applications en instrumentation très grande bande passante très hauts débits Inconvénient : raccordements très précis donc coûteux Ce nest pas la fibre qui est chère ! mais pas infinie (dispersions chromatique et de polarisation) - conservation de la cohérence de la lumière

11 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE11 0 FIBRES OPTIQUES MONOMODES Caractéristiques : Divergence du faisceau en sortie : 0 = w 0 Profil gaussien du champ E(r) = E 0. exp -(r/w 0 ) 2 r n2n2 n(r) n1n1 z gaine cœur 2a r E(r) 2w 0 Profil à saut dindice (fibre standard) diamètre de mode augmente avec

12 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE12 FIBRES OPTIQUES MONOMODES Dispersion chromatique : –entraîne un élargissement dimpulsion : c = D c..L Défauts de la fibre + biréfringence induite (contraintes … ) ps/nm/km Dispersion de polarisation (PMD, polarisation mode dispersion) existence de 2 polarisations de vitesses différentes entraîne un élargissement : p = PMD. ps/ km Caractère aléatoire

13 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE13 DISPERSION CHROMATIQUE Courbe dans la silice : D c = D M + D G DcDc (ps/nm/km) m ,2 1,4 1,6 Dispersion matériau D M Fibre standard G652 : optimale à 1,3 m utilisable à 1,5 m (liaisons pas trop longues) Fibre à dispersion décalée (DSF) G653 nulle à 1,55 m Fibre NZ-DSF G655 (non zero – dispersion shifted fiber) Dispersion faible dans toute la 3 ème fenêtre Adaptée au WDM (mux. en longueur donde) + compensation optique de la dispersion Pas adaptée au WDM Dispersion guide < 0 dépend des paramètres de la fibre

14 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE14 ATTENUATION Atténuation intrinsèque des fibres de silice : Diffusion Rayleigh Pic OH 1 ère 2 ème 3 ème fenêtre fibre multimode coupure des modes dordre supérieur fibre monomode Absorption infrarouge 0,1 5 2 (dB / km) 1 0,5 0,2 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 µm

15 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE15 Quelques applications : Capteurs mécaniques Pinces de contrôle de trafic PERTES EXTRINSEQUES Fuite de lumière …. –par courbure ou microcourbures –aux raccordements réduites par … le choix de la fibre (forte ON) la structure du câble la précision des connecteurs

16 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE16 FENETRES DE TRANSMISSION sur fibres optiques de silice : FenêtrePremièreDeuxièmeTroisième Longueur d'onde 0,78 à 0,9 µm1,3 µm1,5 à 1,6 µm Type de fibre utilisées multimode multimode et monomode Atténuation très faible (0,2 dB/km) Dispersion chromatique faible, non nulle très faible dans les fibres à dispersion décalée faible (0,4 à 1 dB/km) forte (2 à 4 dB/km) forte quasi nulle

17 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE17 FENETRES DE TRANSMISSION FenêtrePremièreDeuxièmeTroisième Emetteurs : type DEL ; lasers VCSEL (très hauts débits) D.E.L.(multi-) D.L. standard (dans mono-) diodes laser DFB (monochromatiques) Récepteurs : matériau SiliciumGaInAsP / InP Ge, HgCdTe (très peu employés) Coût des composants faiblemoyenélevé Applications Transmissions courte distance ; réseaux locaux ; gigabit à très courte distance Transmissions moyennes et longues distance ; MAN et LAN haut débit Transmissions très longue distance (WAN) et à amplification optique Multiplexage entre les deux fenêtres (par exemple : une par sens) "Dense" (nombreux canaux dans la même fenêtre) GaInAsP / InPmatériauGaAlAs/GaAs FTTH

18 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE18 PRINCIPAUX TYPES DE FIBRES MatériauPlastiqueToute silice (cœur « dopé » au GeO 2 ) Type Multimode saut dindice Multimode gradient dindice Monomode standard Monomode disp. décalée Diamètres cœur / gaine ( m) 980/100050/12562,5/1259/1257/125 Longueurs donde et atténuation Visible 200 dB/km 0,85 µm – 1,3 µm 3 dB/km – 0,9 dB/km 1,3 – 1,55 µm 0,5 – 0,2 dB/km 1,5 à 1,6 µm 0,22 dB/km Débits typ. et distances 10 à 100 Mb/s 100 m 100 Mb/s /5 km 1 Gb/s /400 m 100 Mb/s 2 km 1 à 10 Gbit/s 20 à 50 km n x 10 Gbit/s milliers de km Mise en œuvre pb. particuliers Facile température Assez facile Plus délicate raccordements Coût global Faible Assez faible Plus élevé (interfaces, connecteurs) Applications principales Eclairage, visualisation, trans. données très courte distance Distribution, LANs hauts débits (GE courte distance) LANs tous débits LANs très hauts débits, MANs, FTTH/PON, moyennes dist. Liaisons très longues (avec amplificateurs et WDM)

19 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE19 CABLES A FIBRES OPTIQUES Doc. ACOME

20 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE20 CONNECTEURS OPTIQUES Grande variété !

21 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE21 COMPOSANTS DES SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES Type Technologie Optique passif Optique actif Optique non réciproque Opto- électronique Verres (fibres assemblées ou substrats de verre) Coupleurs Filtres Atténuateurs Multiplexeurs Commutateurs (lents) Amplificateurs à fibres ou verres dopés Cristaux de type LiNbO 3 id. Modulateurs Commutateurs Isolateurs Semi-conducteurs III – V ou Si id. Amplificateurs à s-c Emetteurs Récepteurs

22 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE22 COUPLEURS Coupleur en XCoupleur en Y fibres abrasées et collées, ou fusionnées par la tranche demi-coupleur en X partage de la puissance en 2 parts, égales ou non (splitter) -3dB regroupement de signaux ! pertes réciproques -3dB

23 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE23 COUPLEUR EN ETOILE à fibres torsadées et fusionnées perte : 10 log n(théorique) + perte en excès PePe P e /n n fibres

24 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE24 MULTIPLEXAGE EN LONGUEUR DONDE Différents types : à deux voies (ou deux fenêtres) ; peu sélectif Intérêts : - augmente la capacité des liaisons (même déjà installées) - permet des réseaux multiterminaux à plusieurs voies proches : DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing

25 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE25 MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR DONDE de type : à deux voies, technologie à filtres dichroïques entre deux fenêtres de transmission Filtre dichroïque 1 et 2 1, transmis 2 réfléchi Permet le multiplexage de signaux en sens identiques ou opposés

26 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE26 MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR DONDE Principe du réseau de diffraction (grating) diffraction par une surface gravée + interférences ordre 2 ordre 1 sin m =m onde plane incidente (fibre accès commun) Vers fibres à accès sélectif Applications : (dé)multiplexeurs en analyse spectrale

27 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE27 fibre (ou guide) optique zone où lindice est modulé périodiquement (pas = ) RESEAUX DE BRAGG Bragg gratings Principe des réseaux de Bragg photoinscrits : une seule longueur donde est réfléchie: celle pour laquelle il y a accord de phase entre les réflexions élémentaires : =.2n Applications : filtres, (dé)multiplexeurs, capteurs dallongement les autres sont transmises

28 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE28 MULTIPLEXEUR DINSERTION- EXTRACTION OADM, Optical Add-Drop Multiplexer permet dextraire un signal, et den insérer un autre à sa place sans démultiplexer lensemble i extrait (signal 1) i inséré (signal 2) réseau de Bragg à i circulateurs

29 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE29 MODULATEUR OPTIQUE Interféromètre de Mach – Zehnder : utilisation de leffet électro-optique en optique intégrée +V -V : rien Entrée Sortie Bras de l'interféromètre = 0 : tout électrodes Applications : Modulation tout ou rien Modulation analogique (en cos 2 ) Modulation de phase à 2 états avec = (formats duobinaire ou DPSK) Le champ modifie lindice, donc la phase

30 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE30 MODULATEUR OPTIQUE lumière continue Signal (10 à 40 Gbit/s) lumière modulée pour modulation externe nécessaire à très haut débit à plus bas débit, la modulation interne est possible, et plus économique

31 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE31 COMMUTATEURS OPTIQUES Technologies : Rapidité Encombrement consommation Capacité Applications Mécanique100 msimportant faible Faible Sécurisation de réseaux Micromécanique (MEMS) msfaible moyenne ElevéeBrasseurs (matrices) Optique intégrée (acousto- ou electro-optique) µs à nsimportant élevée Assez faible Commutation temporelle 3D (ex. holographiques) ms / smoyen faible (LCD) Très élevée Brasseurs (matrices)

32 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE32 COMMUTATEUR OPTIQUE « switch » à deux voies Doc. DICON Mode de fonctionnement

33 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE33 COMMUTATEUR OPTIQUE Matrices de commutation à micromiroirs Exemple de réalisation en MOEMS (Micro Optical Electrical Mechanical Structure) ; Lucent, 2000

34 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE34 MATERIAUX ELECTROLUMINESCENTS Semi-conducteurs III-V : IIIIVV BCN AlSiP GaGeAs InSnSb GaAs 1 ère fenêtre infrarouge ( = 900 nm) Ga 1-x Al x Asentre 700 et 900 nm en fonction (décroissante) de x Ga 1-x In x As y P 1-y 2 ème ou 3 ème fenêtre infrarouge ( = 1200 à 1600 nm en fonction croissante de x et y) Ga 1-x In x As y Sb 1-y autour de 2,5 µm Ga As x P 1-x du jaune au rouge GaPvert ( = 565 nm) GaAlP rouge à haut rendement GaN/InGaNbleu ( = 440 nm) lecture de disques optiques, visualisation … DEL blanches : par phosphorescence dun matériau excité dans le bleu

35 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE35 EMETTEURS Diodes électro-luminescentes : - Emission dans la deuxième ou troisième fenêtre (suivant composition de la couche active) InP n p + GaInAsP première fenêtre Couches de Couche active substrat Emission dans la confinement GaAs GaAlAs p n + - Principe de lhétérojonction Photons émis

36 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE36 Emission face arrière Couches de confinement L Isolant Ruban Contact conducteur Couche active GaAlAs Contact conducteur Substrat DIODES LASER Structure Fabry Pérot Amplification si J > J th + résonance pour p = 2Ln/p Courant supérieur à un seuil Spectre multimode (large) courant Emission face avant diverge du fait de la diffraction

37 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE37 EMETTEURS Diodes laser : structure DFB (distributed feed-back) Réseau de diffraction intégré sur le guide Ruban enterré (couche active) GaInAsP Réflexion distribuée dune seule longueur donde n Spectre monomode (étroit) Composant coûteux ! coupe du coin p Substrat (InP) n p n n

38 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE38 Couche active Miroir de Bragg inférieur Miroir de Bragg supérieur Substrat Contacts électriques EMETTEURS Diodes laser : structure VCSEL Composant de hautes performances mais économique à fabriquer Applications à 850 nm : courte distance et (très) hauts débits (10 Gbit/s) lecture optique, impression ….. Test possible sur wafer Emission de lumière (vertical cavity surface emitting laser)

39 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE39 TypeDELLaser VCSELLaser FPLaser DFB Puissance couplée 10 à 100 µWqq. mW Emission par la surface, divergente par la surface, peu divergente par la tranche, assez divergente Longueurs donde0,85 et 1,3 µm0,85 µm1,3 µm1,3 et 1,55 µm Spectre large étroit (une raie) assez large (plusieurs raies) très étroit (une raie très fine) Caract. P(i) linéaire seuil, 5 à 10 mAseuil, 10 à 30 mA Fréquence max. de modulation 100 à 200 MHzplusieurs GHz Coûttrès faiblefaibleassez élevéélevé Utilisations transmission à courte distance sur fibres multimodes haut débit (typ. GE) à courte distance, fibres multi. + lecture optique, imprimantes … haut débit sur fibres monomodes à 1,3 µm, FTTH très haut débit sur fibres mono. surtout à 1,55 µm, systèmes WDM EMETTEURS POUR FIBRES OPTIQUES En recul

40 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE40 EMETTEURS Différents boîtiers :Module à diode laser Doc. NORTEL en embase de connecteur à fibre amorce

41 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE41 RECEPTEURS Principe de la photodiode PIN Photons Couche anti-reflets Zone d'absorption Substrat p+ i n R V E Sensibilité spectrale : S 1 m GaInAs Si i S = S.P photocourant S sensibilité de la photodiode (en A/W) = q/h i D courant d'obscurité trous électrons non dopée (i = intrinsèque) i = i S + i D responsivity Bruit quantique : = 2q.i. F dark current

42 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE42 PEB. F équivalente BRUIT DU RECEPTEUR Modèle (simplifié) : Bruit de fond électronique indépendant de P i S =S.P P Bruit quantique (ou bruit de grenaille) = 2qSP. F Rapport signal / bruit : RSB = Puissance équivalente de bruit : PEB = pW/ Hz doù RSB = optique

43 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE43 TRANSCEIVER Module démission - réception Doc. NORTEL

44 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE44 AMPLIFICATION OPTIQUE Principe dans une fibre dopée Erbium : (EDFA, erbium doped fiber amplifier) à 0,8 µm Absorption : à 0,98 µm à 1,48 µm niveaux d'énergie niveaux élargis par effet Stark E transitions non radiatives transition radiative à 1,536 µm Amplifie autour de 1,5 m Autres matériaux : Neodyme (Nd) à 1,06 m

45 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE45 amplification AMPLIFICATION OPTIQUE Spectre dans lerbium : Spectre d'émission (fluorescence) 1,45 1,50 1,55 1,60 µm Section efficace ( m 2 ) pompage Spectre d'absorption Amplifie de nombreuses longueurs donde

46 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE46 fibre amplificatrice AMPLIFICATEUR OPTIQUE A FIBRE DOPEE ERBIUM Schéma ( amplificateur unidirectionnel, pompage vers l'aval) : = soudure diode laser de pompe Photodiode de contrôle filtre isolateur sortie isolateur entrée Multiplexeur fibres adaptatrices avantages : amplifie un grand nombre de longueurs dondes simple car pas délectronique haut débit mais … pas de régénération ne compense pas la dispersion accumulation du bruit et des effets non linéaires


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