Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Expérimentations virtuelles et simulations en ligne de circuits.

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1 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Expérimentations virtuelles et simulations en ligne de circuits d'optique guidée Yves Moreau

2 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France La simulation : Réalité Modèle entrée sortie : prédiction de valeurs Modèle cognitif : connaissance des phénomènes internes Résolution analytique : hypothèses simplificatrices mais interprétation directe Résolution numérique : sorties en fonction des entrées Equations différentielles : fonctionnement simulé de la réalité Modèle : équations, représentation idéalisée de la réalité

3 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France La simulation comme outil pédagogique : La simulation comme expérience virtuelle : grandeurs non visibles observables aspect visuel Paramétrage irréel pour expliquer et/ou comprendre: Balayage paramétrique => courbe sortie/entrée Calcul rapide : essais et validations

4 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France => présentation active, encore peu fréquente, de simulations, de calculs scientifiques, exécutés en ligne par la simple utilisation de logiciels de navigation dotés de machines virtuelles (tels que les logiciels usuels Netscape ou Internet Explorer). Internet et ses outils dans la formation scientifique? Au delà de la consultation de documents textes ou images, de base de données... => expérience, démonstration de cours => enseignement à distance => expérimentation virtuelle (TP)

5 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Java : un langage pour le calcul scientifique ? Orienté objets : additions, modifications facilitées Rapidité, avec la compilation dynamique Toute plateforme (PC sousWindows, PC sous Linux, MacIntosh, UNIX) Interface conviviale standard grâce aux « packages » inclus Accessible partout et gratuitement, sans installation, avec « browsers » (Netscape)

6 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France programmes accessibles par Internet, outil attractif, apprécié et utilisé par les nouvelles générations détudiants. chargement « léger »: quelques dizaines de kOctest/applet aspect visuel développé : nombreuses classes dobjets inclus dans lenvironnement Java intégration directe des explications scientifiques : une applet java est habituellement lancée depuis une page dhypertexte ( HTML ) tout à fait adaptée aux explications hiérarchisées et renvois vers d'autres rubriques. Les avantages dune approche Java ?

7 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France exécution sur machines différentes (PC \Windows, PC \Linux, MacIntosh, station Unix etc.). mise à jour aisée. rapidité dexécution (~ C ou C++), depuis lapparition de la compilation Just In Time ou des compilateurs statiques. utilisation gratuite, publicité envisageable. Les avantages (suite). Une dizaine dapplets ont été développées : http://www.cem2.univ-montp2.fr/~moreau/

8 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Langage orienté objet, java est particulièrement adapté au développement relativement rapide d applications pour lenseignement. Le chargement du code compilé Java ( applet ) est la seule information transmise depuis le site (de l'ordre de quelques dizaines de kilo-octets). Linterprétation du code et lexécution du programme sont effectuées localement de façon transparente sur lordinateur de lutilisateur consultant le site, à laide de son navigateur internet (browser). Les « applets » Java

9 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Tests of the Quicksort algorithm, sorting 1,048,576 random 64-bit floating point numbers, on a 1GHz Pentium III processor and 1.33 GHz/DDR Athlon. Execution times are given in seconds. 0.5720.820FORTRAN 0.4020.800C++ 0.5740.921Java – Server Hotspot JIT 0.5410.897Java – Client Hotspot JIT 5.18 sec5.83 secJava - Interpreted AthlonPIIICode Daprès J. C. Schatzman, « Writing High Performance Java Code Which Runs as Fast as Fortran,C or C++ » Proc. SPIE, vol. 4521 p.106,, Denver, August 2001

10 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Comprendre la fréquence : avec une "machine hydraulique" dont le fonctionnement est plus concret que l'homologue électronique (résistance-condensateur). depuis la fréquence...

11 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France …à la synthèse de Fourier et... On reconstitue un signal en additionnant les harmoniques cosinusoïdaux: synthèse visuelle et sonore !

12 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Modulation Q.A.M (modem): cosinus + sinus modulés en amplitude. Modulation D.M.T. pour l'ADSL : En réception, F.F.T: les coefficients de Fourier sont le message … à l'A.D.S.L.

13 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France PLUGGED IN Close to 1 in 10 U.S. households now has high-speed Internet service Speed * U.S. users (Mbit/sec) Monthly price Surfing faster with fiber Palo Alto residents test high-speed Internet lines Saturday, January 19, 2002 Bob Harrington got on his bike outside his Palo Alto home, for high-speed Net access. Chronicle photo by Penni A single strand of optical fiber can handle 5 million telephone Photo by David Duprey letting him access the Net at speeds dozens of times faster than traditional dial-up modems. But Harrington says his new connection leaves his cable modem in the dust. For the past few months, Harrington and 66 neighbors have been testing a next generation fiber-optic network, which is three to four times faster than cable or DSL service. The speed advantage over wireless and satellite is even starker. "It feels real good to be one of the fastest Internet users on the planet," said Harrington, who pays $85 per month for the service. "It is way too early to tell you how my Internet habits will change, but they certainly will." Although more than 10 million U.S. households now* have DSL or cable modem service, making Internet access as common as SUVs in upscale communities, a few neighborhoods around the country are now experimenting with even faster links, using packets of light instead of electrons to move data at blazing speeds. To be sure, access is limited to a handful of new developments and experimental trials. Indeed, the figure is so small that the Yankee Group, a Boston research firm, hasn't bothered to include fiber optics in its projections for residential high-speed Internet access through 2005. "Fiber to the curb is very limited," said Yankee analyst Imran Khan. B Cable modem 7 million 1.5 $46 (1) DSL 3.3 million 1 to 1.5 $50 Wireless 300,000 0.5 to 1.5 $50 (2) Satellite 61,300 0.15 to 0.5 $75 (3) Fiber N/A 4.5 to 9$85(4) * Typical download speed. Varies by company and location. 1 AT&T Broadband, the dominant cable modem provider in the Bay Area. 2 Speeds and price are for Sprint Broadband Direct, which operates in the Bay Area but has stopped signing up customers. 3 Speed and price are for Starband/Dish Network. 4 Speeds and prices are for Palo Alto's Fiber-to-the-Home trial.. Source: Yankee Group, Chronicle research But proponents say the Palo Alto trial provides a glimpse into the future of Internet access -- a time when residents will be able to easily rent movies online, chat with friends on near-broadcast quality Webcams or play sophisticated Internet games. ob Harrington has long been an Internet speed demon. Three years ago, the Palo Alto angel investor signed up for cable modem service,

14 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Des Circuits optiques intégrés « DWDM has proven to be one of the hottest niches in the telecommunications market. » Les autoroutes des télécoms :plutôt sous leau (fibres optiques) que dans le ciel (satellites). Loptique intégrée était une technologie du futur depuis 30 ans. Echanges de données : + 85 % /an Trafic vocal : + 10% /an 55 % des cadres Européens n ont pas encore de courrier électronique. IDC (cabinet d études) prévoit 28 millions d objets connectés au Web vendus en 2002 aux USA Les débits accessibles à court terme atteignent le Terabit/sec => haut débit. => Les technologies optiques ont maintenant leur « niche »: multiplication des canaux en transmission large- bande.. Marché du DWDM : 8 milliards de $ en 2003

15 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Todays Networks Present Network Topology Daprès David B. Tuckerman (CMEA Ventures), A Venture Capitalist View of Photonics Technology SPIE/Photonics West, 24 January 2002

16 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Custom packaging Quality based service Complete solution Fully tested and qualified Integrated Photonic Solution

17 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Semi-conductors Glasses Dielectric layers Polymers lithium Niobate Electronics Compatibility Active Circuits Cost Optical fiber Compatibility Passive Circuits Materials for Integrated Optics

18 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Our organic-inorganic material extends the possibilities to design optical circuits : Various geometrical shapes, various thickness and index, Circuits stacked on several layers New adapted tools are required to study optical modes and simulate beam propagation.

19 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Quelques circuits 5336µm 415µ m 20283µm 200µm Coupleurs directionnels Diviseurs MMI Wavelength Division multiplexer : phasars with star couplars phasars nwith MMI Diviseurs de puissance en Y Outil de simulation: Beam Propagation Method

20 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Elements of the matrix of the algebraic system are integrals on parts of the guide section. Differential equations are converted to an algebraic system by Galerkine method: = 0 Equ.(..c ij..) = 0 (x,y) n1n1 n2n2 nono Modal analysis in guide sections [for diagonal element] - (i 2 /L x 2 + j 2 /L y 2 ) + n o 2 x area_of _sub_domain Transverse profiles are expressed as weighted sum of sine functions : E(x,y,z) = exp(-i z) c ij S ij (x,y) with S i,j (x,y) = S i (x) x S j (y) = 4 /L x L y ) sin (i x/L x ) sin (j y/L y ). z x y Wave equation for electric field : 0 ) ln( 2 ) 2 2 2 222 yx n E x n E EE yx )( 222 22 Enk yx x xx n3n3 Equ.(..c ij..) = 0 (x,y)

21 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Loptique intégrée permet la réalisation de DWDMs, circuits tout optiques qui permettent le (dé)multiplexage des canaux dinformation.

22 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France -50 -40 -30 -20 -10 0 1.29761.29841.29921.31.30081.30161.3024 )wavelength (um) power (dB) output@-35.6 output@-17.8 output@0 output@17.8 output@35.6 Simulations Mesures Puissance récupérée sur chaque sortie en fonction de la longueur donde

23 Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Conclusion Les nouveaux outils Internet (notamment Java) permettent des simulations efficaces et facilement accessibles. http://www.cem2.univ-montp2.fr/~moreau/ Visitez notre site : Merci ! Expérimentations virtuelles. Exploration de paramétrage. Outil pédagogique de démonstration.