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Montpellier II Université Télécommunications optiques Yves MOREAU, Université Montpellier II WDM, Baets, univ.Gent Cours L3 Assur.

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1 Montpellier II Université Télécommunications optiques Yves MOREAU, Université Montpellier II WDM, Baets, univ.Gent Cours L3 Assur

2 Montpellier II Université Plan du cours Les télécommunications par fibres optiques I-Fibres et guides optiques II- Les sources III- les photodétecteurs IV-amplification optique IV-Fonctions optiques (coupleurs, isolateurs, filtres passifs, multiplexage, modulateurs externes...) V-Signaux et systèmes de transmission sur fibre optique (codages, modulations, non linéarités, WDM, FDM...) VI- techniques de transmission dans les réseaux de télécommunications (hiérarchie numérique, câbles ous-marins, réseau terrestre, transmissions locales, distribution)

3 Montpellier II Université Loptique pour les télécommunications Très faible atténuation (0.1 dB/ km), Très large bande passante (25 THz) Faible poids, très petite taille Sécurité électrique : isolation totale entre terminaux, utilisation en ambiance explosive… insensible et non générateur de parasites, Inviolabilité Avantage économique : inférieur au système de cuivre, progrès au niveau des raccordements.

4 Montpellier II Université La communication optique, voire le multiplexage en longueur donde (WDM) sont de vieilles idées ! Rê Horaky (le Soleil à midi) transmet un faisceau lumineux multicolore à Tapéret ( B.C.) Le Louvre, Paris Avant-hier !

5 Montpellier II Université Le renouveau de loptique : deux inventions (Schawlow,1957) Laser CO² à 10,6µm absorbé, volumineux Laser AlGaAs (1969) Source de lumière cohérente: le laser

6 Montpellier II Université Cohérence La lumière est constituée dune suite de trains dondes Plus les trains sont longs, plus la lumière est dite cohérente Lc = ²/( Cette cohérence est dite « temporelle » Cohérence spatiale : source = ensemble de points en phase => faible divergence Nota : = c/ (1.5 µm Hz) d = -cd / ² (10 GHz 0,8 nm)

7 Montpellier II Université Autre avancée : la fibre optique 1970: fibre de silice < 20 dB/km Aujourdhui, 0.15 dB/km seulement de pertes à 1,55 µm

8 Montpellier II Université Domaines dutilisation Télécommunications : Liaisons urbaines et interurbaines (grande capacité), liaisons sous- marines Vidéocommunications Liaison et réseaux de données Liaisons industrielles Capteurs et instrumentation

9 Montpellier II Université Télécommunications : produit débit x distance (Gbits/s*km) Aujourdhui : qq Terabits sur tronçons de 100 km Laser 1.3 µm et fibres unimodales Laser 0.8 µm et fibres multimodes Lasers unimodaux 1.55 µm Amplificateurs à fibres dopées erbium

10 Montpellier II Université Fibres et guides optiques Fibre circulaire Guide en arêteGuide diffusé Guide enterré Guide plan

11 Montpellier II Université Propagation optique Vibration (temps) Propagation (espace) localement courbure (dérivée seconde) maximale Pour une onde plane Ex = Eo*exp(j(ωt -kz)) z Nombre donde k= 2 / Vitesse de phase v = k

12 Montpellier II Université Indice de réfraction Raccourcissement de la période avec lindice, diminution de la vitesse de phase V = /k k= ß= ko*n=2 / o *n, Z=Zo/n Si milieu hétérogène, londe propagée est associée à un indice « effectif » de valeur intermédiaire Onde électromagnétique : E et H Rapport E/H = Impédance Z Vide : Zo=Eo/Ho=377 E(x,y)*cos( t- z)= E(x,y)*cos( (t+ t)- (z+ z)) si z = / t

13 Montpellier II Université coeur La lumière est piégée dans la zone dindice un peu plus élevé Paramètre de guidage : n c ²-n g ² 2 n g ² = = n c -n g ngng Guidage « fort » dautant plus que est grand Fréquence normalisée : V = 2 a/ n sub 2 Mécanismes de guidage a = rayon du cœur (fibre), épaisseur (guide rectangulaire)

14 Montpellier II Université A T B Réflexion totale aux interfaces, en fait au voisinage (« Gooth Hanchen ») Rayons en phase après une double réflexion Approche géométrique Modes associés à langle dincidence Dans un guide, plusieurs milieux C Indice « effectif » = n g *cos( m ), m ordre du « mode » Propagation dans un guide

15 Montpellier II Université Fibre optique: ouverture numérique A i1i1 i2i2 n 1. cos c = n 1.sin i 1 = n 2 sin i 2 ( et i 1 complémentaire) et pour i 2 limite (= 90°) n1 cos c =n2=n1 (1- c²2) n 1 ² – n 1 ² sin² c = n ² => n1 sin c = (n1-n2+n2)² - n2² =ON=sinA= n1 sin c = n1 2 (n1-n2)/n2

16 Montpellier II Université Fibre multimode à gradient dindice n(r)= n 1 a 1 – 2 (r/a)² Ouverture numérique plus faible (ON ~0,2) => 2 fois moins de puissance couplée

17 Montpellier II Université Fibres optiques : modes Fibre optique : guide circulaire. Calcul en coordonnées cylindriques (r,,z) E (Laplacien(E))= µ o o n² ²E / t² E(r) solutions en fonctions de Bessel Jν Odre azimutal ν : déphasage de 2 ν sur un tour ν = 0 => modes TEom ou TMom, sinon modes hybrides HEνm HMνm Nombre de modes : V²/2 (saut dindice) et V²/4 (gradient) avec V=2 r / o n1²-n2²

18 Montpellier II Université Quelques modes dans les fibres LP 02 LP 01 ),( 2 02 r),( 2 02 r LP 02 ),( 2 01 r LP 01 ),( 2 12 r x y impair ),( 2 21 r x y impair LP 12 LP 21 pair LP mn où m => cos(m ) et n=nb dextrema en r Champ électromagnétique en m et

19 Montpellier II Université Dispersion fibres multimodes BP = 1 / (2 im ) = im ² + c² ~ ON²/2n 1 c BP*km =qq MHz.km (saut dindice), qq centaines MHz.km

20 Montpellier II Université Vitesse de groupe Vitesse de propagation de linformation (de lenveloppe) Vg=d /d V

21 Montpellier II Université Fibre unimodale V < 2,4 2 w o => Peu de dispersion, dispersion chromatique seulement. Faibles dimensions

22 Montpellier II Université Dispersion chromatique c = Dc L λ avec Dc = D M + D G en ps/nm/km D c (ps/nm/km) λ 1,21,4 Dispersion matériau Fibre standard Fibre à dispersion décalée D G = (n 1 – n 2 )/c. 2/V² pour 1.7< V < 2.4 DM=DM= - o d²n 1 c d o²

23 Montpellier II Université Atténuation des fibres optiques P(L) = Po 10 - L/10

24 Montpellier II Université instrum entatio n infra- rouge télécom longue distance Télécom moyenne distance, réseaux informatiques transmission courte distance transport d'énergieéclairage, visualisation, transmission courte Applications très délicat e Gradient dindicerelativement facile délicatetrès facileMise en œuvre très cher assez élevéassez faibleassez élevémoyenfaibleCoût des systèmes fragilebonne si protégéelimitéesouple mais déformable résistance mécanique Bande passante (MHz km) Ouverture numérique à ,45-0,70λ utilisés (µm) 1 à 2.5µm, théor. < 0, à 1.33 à 0,85 0,9 à 1.3 µm Attenuation (dB/km) 7-9/12550/125100/140200/380980/1000Diamètre cœur/gaine (µm) Verres fluorés Silice (cœur dopé Germanium) Monomode Silice (cœur dopé Germanium)Gradient dindice Silice (cœur dopé Germanium)Saut dindice Silice(cœur)/silicone- gaine) plastiqueMatériaux

25 Montpellier II Université Fabrication des fibres La synthèse des matériaux est réalisée par oxydation en phase vapeur. On obtient : de la silice : de loxyde de germanium : de loxyde de phosphore : de loxyde de bore : On chauffe les gaz réactifs dans un tube de silice tournant autour de son axe et, en fonction des gaz introduits dans le tube, On dépose des couches dont on peut faire varier lindice : le germanium ou le phosphore augmentent lindice, le bore ou le fluor le diminuent.

26 Montpellier II Université Pertes de courbure Pour conserver une propagation avec surfaces de phase planes perpendiculaires à laxe de propagation, la vitesse du champ à lextérieur devrait être plus importante, voire dépasser la vitesse de la lumière => la partie du champ extérieur ne participe pas à la propagation. Rayon diminué de a/ => pertes multipliées par e Exemple :a = 4µm, D= , R diminué de 1 cm => pertes x 10 4 Atténuation de courbure: phénomène à seuil Fibres standard : Rayon de qq cm toléré

27 Montpellier II Université Fabrication dune préforme (CVD) Réaction chimique et formation de suies. Dépôt de suies. Vitrification du dépôt. extraction réactifs gazeux chalumeau mobile 1700° Dépot de la gaine 25 mm Dépot du coeur extraction réactifs gazeux chalumeau mobile 1700° ° Rétreint

28 Montpellier II Université Soudeuse à fibre Perte estimée: 0.1 dB

29 Montpellier II Université Schéma dune tour de fibrage

30 Montpellier II Université Connecteurs pour fibres FC/PC E2000/APC ST SC/APC Férule Fibre nue FéruleFace polie

31 Montpellier II Université Aux extrémités des fibres Les circuits optiques Les sources Les photodétecteurs

32 Montpellier II Université Double Phasar X connect (Herben et al.,TU Delft) 1 mm « LOptique intégrée » (Miller 1969) Le circuit optique intégré a pour but de réaliser une fonction (filtre, couplage, etc.) et non de transmettre sans perte (fibres)

33 Montpellier II Université ncnc Optique intégrée : des guides de lumière Guide enterré (buried) : par exemple : échange dions sur substrat de verre, ou matériau organique polymérisé localement Guide en relief (ridge): 5 µm La lumière est guidée dans la zone dindice plus élevé 10 µm ncnc

34 Montpellier II Université Fabrication de guides d'ondes LiNbO3 par diffusion de Titane

35 Montpellier II Université De nombreux matériaux possibles :

36 Montpellier II Université Guides à largeur limitée Modes : profils (en fonction de linjection) Guide relief (ridge) Guide enterré Guide canal

37 Montpellier II Université Diviseurs Quelques circuits optiques de base coupleurs

38 Montpellier II Université Exemple : interféromètre Mach Zehnder (J+1/2)* /n ep = J* /n ei, J entier Déphasage de = coupure Beaucoup utilisé : la longueur dun bras ou lindice dans un bras peut varier avec la température, une tension électrique etc … => Modulateurs, capteurs

39 Montpellier II Université WDM à coupleurs en étoile PHASAR Coupleur en étoile dentrée Coupleur en étoile de sortie Cercles de Rowland

40 Montpellier II Université Cercles de Rowland WDM à coupleurs en étoile Ordre des couleurs par longueur donde : Ordre des couleurs en sortie pour lentrée centrale :

41 Montpellier II Université Isolateur rotateur Faraday Pertes importantes

42 Montpellier II Université Insertion/Extraction avec coupleurs Extraction en 2, insertion en 3

43 Montpellier II Université Réseaux de Bragg Structure périodique avec alternances de couches (< 1µm) à fort et faible indice n b Filtre en longueur dondeDistributeur de lumière Lentille intégrée déflecteur focalisation Entrée-sortie couplage

44 Montpellier II Université (Dé)multiplexeur à réseaux

45 Montpellier II Université Modulation externe avec Mach Zehnder

46 Montpellier II Université Conclusion Loptique est une vieille science qui connaît son renouveau en Télécoms (performances des fibres et puces optiques) en mesure (capteurs, détecteurs, analyse…) Merci de votre attention! La photonique est dans le sillon des nanotechnologies Loptique propose des solutions? Reste à trouver les problèmes ! Photonic crystal laser, Y-H Lee et al, Science 305, 1444(200 4)


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