UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010

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1 UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010
Des lasers et des fibres : des outils pour communiquer et pour l’optique non-linéaire de la Physique 2005 Année Mondiale de la Physique 2005 Année Mondiale Christophe FINOT UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010 Bonjour, Alors, je vais prendre une quinzaine de minutes pour vous présenter un peu le laboratoire que vous allez visiter et les raisons pour lesquelles l’année 2005 a été retenue pour être l’année de la physique. Institut Carnot de Bourgogne

2 Plan 6 Octobre 2009 Charles KAO

3 Laser et Fibre Moyen de communiquer vite et loin
Moyen de manipuler la lumière via l’optique non-linéaire

4 Communiquer avec la lumière
Annoux (Yonne) Forêt de Reppe phare d'Alexandrie signaux de fumée télégraphe chappe Communiquer avec la lumière

5 Les éléments des communications
milieu de propagation récepteur code émetteur Les éléments des communications

6 Les éléments des communications
milieu de propagation récepteur code émetteur Les éléments des communications

7 Le code Le code utilisé : le langage binaire ‘le codage informatique’
émetteur milieu de propagation récepteur code Le code utilisé : le langage binaire ‘le codage informatique’ Le message à transmettre (texte, image, son, vidéo) est décomposé en une succession de 0 et de 1 . … Le code

8 Le code Le code utilisé : le langage binaire
émetteur milieu de propagation récepteur code Le code utilisé : le langage binaire Le message à transmettre (texte, image, son, vidéo) est décomposé en une succession de 0 et de 1 . 0 : absence de lumière 1 : présence de lumière, impulsion lumineuse Le code

9 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 Le code Le code utilisé : le langage binaire
émetteur milieu de propagation récepteur code Le code utilisé : le langage binaire Le code

10 L’émetteur L’émetteur : une source Laser émetteur
milieu de propagation récepteur code L’émetteur : une source Laser L’émetteur

11 Le récepteur Le récepteur : une photodiode émetteur
milieu de propagation récepteur code Le récepteur : une photodiode Le récepteur

12 Le milieu de propagation
émetteur milieu de propagation récepteur code Le milieu de propagation : L’air Les faisceaux lumineux se propagent en ligne droite Absorption éventuelle du faisceau Influence des conditions météorologiques Le milieu de propagation

13 Le milieu de propagation
émetteur milieu de propagation récepteur code Le milieu de propagation : L’air La fibre optique Le milieu de propagation

14 Principe des fibres optiques
Gaine Cœur Principe des fibres optiques

15 John Tyndall (XIXe siècle) Expérience de la Fontaine lumineuse
la lumière se propage par réflexion totale interne dans le jet d'eau (l'indice de l'eau est supérieur à celui de l'air) La fontaine de Tyndall

16 Les premières fibres optiques
1964 : Première publication scientifique proposant l'utilisation des fibres optiques pour guider la lumière 1966 : Charles KAO propose les fibres pour les transmissions optiques sur plusieurs kilomètres Les premières fibres optiques

17 Les atouts de la fibre optique
Faibles pertes Transmission sécurisée Débit important Les atouts de la fibre optique

18 Les pertes dans les fibres optiques
Les fibres optiques ont des pertes très réduites Travailler à des longueurs d’ondes de l’infrarouge Année Pertes (dB/km) Longueur d'onde (nm) 1/2 de l’énergie perdue après Entreprise 1970 20 150 m Corning Glass Work 1974 2 - 3 1 060 1 km ATT, Bell Labs 1976 0,47 1 200 6 km NTT, Fujikura 1979 0,20 1 550 15 km NTT 1986 0,154 20 km Sumitomo Les pertes dans les fibres optiques

19 Les télécommunications nationales

20 Les télécommunications longues distances
Début 1999 : Plus de 215 millions de kilomètres de fibre optique installés = 280 allers-retours de la Terre à la Lune. Les télécommunications longues distances

21 Débit x Distance (bit.km/s)
x 10 tous les 4 ans x 2 tous les ans Débit x Distance (bit.km/s) Distance et débit Année

22 Augmentation de la distance
x 10 tous les 4 ans Débit x Distance (bit.km/s) Année Augmentation de la distance Augmentation du débit Distance et débit

23 Le premier exemple de relais optique
Système Chappe ( ) 500 stations 10 km Le premier exemple de relais optique

24 Les amplificateurs à fibre
Réamplifier à intervalles réguliers la lumière TL Transmetteur Laser Fibre R Récepteur Amplificateur Amp Amplification optique : révolution des années 1990 Les amplificateurs à fibre

25 Les amplificateurs à fibre
La fibre optique est particulièrement adaptée pour l’amplification optique Grande longueur d’interaction Excellente dissipation thermique Compacité et stabilité Plusieurs mécanismes amplificateurs sont possibles : Amplification par fibres dopées terres-rares, erbium ou Ytterbium Effet Raman Amplification par mélange à quatre ondes Les amplificateurs à fibre

26 Les amplificateurs à fibre

27 amplificateur à fibre + cavité fibrée
Des puissances considérables peuvent être obtenues Systèmes de très haute puissance (1000W de puissance moyenne !) à fibre pour les applications industrielles (usinage) amplificateur à fibre + cavité fibrée = laser à fibre Les lasers à fibre

28 Les amplificateurs à fibre
Des puissances considérables peuvent être obtenues Systèmes de très haute puissance (1000W de puissance moyenne !) à fibre pour les applications industrielles (usinage) Les amplificateurs à fibre

29 Augmentation de la distance
x 10 tous les 4 ans Débit x Distance (bit.km/s) Année Augmentation de la distance Augmentation du débit Distance et débit

30 Débit d’une transmission
Débit : nombre de bits d’information qui sont transmises en une seconde Plus le débit est important, plus les impulsions sont brèves 10 GBps 25 ps x 2 x 4 40 GBps ps Débit d’une transmission

31 Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)
Pour augmenter le débit, on augmente le nombre de canaux utilisés. 1 1 Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)

32 Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)
Jusqu’à canaux utilisés ! Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)

33 Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)
Pour augmenter le débit, on augmente le nombre de canaux utilisés. Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)

34 Laser et Fibre Moyen de communiquer vite et loin
Manipuler la lumière via l’optique non-linéaire

35 une note = une fréquence = une longueur d’onde = une couleur
Quand on augmente la puissance envoyée dans la fibre, des effets non-linéaires apparaissent. grâce à la non-linéarité, de nouvelles longueurs d’onde sont crées lors de la propagation dans la fibre La non-linéarité

36 La non-linéarité Propagation à basse intensité « linéaire »
Propagation à basse intensité « non-linéaire » La non-linéarité

37 Propagation à basse intensité « non-linéaire »
Intensité (dB) Intensité (dB) Longueur d’onde (nm) Longueur d’onde (nm) Propagation à basse intensité « non-linéaire » Sources ultrabrèves

38 Sources ultrabrèves Applications aux sources à ultra-haut débit
Intensité (dB) Intensité (dB) Longueur d’onde (nm) Longueur d’onde (nm) Applications aux sources à ultra-haut débit jusqu’à 2 THz : impulsions par seconde ! Sources ultrabrèves

39 Temps (ps) Sources ultrabrèves
Applications aux sources à ultra-haut débit jusqu’à 2 THz : impulsions par seconde ! Temps (ps) Sources ultrabrèves

40 Les fibres de nouvelle génération
Les fibres microstructurées agencement périodique de trous d'air : un grand contraste d’indice est obtenu non-linéarité extrême Les fibres de nouvelle génération

41 Supercontinuum optique
> nm X 1000 Supercontinuum optique

42 Supercontinuum optique

43 Supercontinuum optique
Laser blanc Supercontinuum optique

44 Supercontinuums optiques
Laser blanc Applications à la métrologie, spectroscopie Applications à la biologie ... Supercontinuums optiques

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Des lasers et des fibres : des outils pour communiquer et pour l’optique non-linéaire de la Physique 2005 Année Mondiale de la Physique 2005 Année Mondiale Christophe FINOT UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010 Bonjour, Alors, je vais prendre une quinzaine de minutes pour vous présenter un peu le laboratoire que vous allez visiter et les raisons pour lesquelles l’année 2005 a été retenue pour être l’année de la physique. Lab. Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne