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Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 1 Yves JAOUEN Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications Groupe Télécommunications Optiques Département Communications.

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1 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 1 Yves JAOUEN Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications Groupe Télécommunications Optiques Département Communications et Electronique, CNRS UMR rue Barrault, Paris Tel : SYSTEMES DE COMMUNICATIONS OPTIQUES

2 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 2 Principes généraux Accroissement des fréquences porteuses - Domaine radiofréquence = 37 cm f = 800 MHz - Domaine millimétrique = 1 cm f = 30 GHz - Domaine optique = 1 µm f = 300 THz Débits - Domaine radiofréquence f = 1 GHz B = qques 100 Mb/s - Domaine optique f = 300 THz f = qques Tb/s Support de propagation - Espace libre Spectre radioélectrique limité (< 100 GHz) - Guides donde métalliques < 100 dB/km pour f ~1 GHz ( ~ 30 cm ) - Domaine optique < 1 dB/km pour ~1 µm

3 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 3 Principe dune transmission optique + – – Emetteur + – Récepteur

4 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 4 Liaison optique longue distance Input data Laser Modulateur 50 – 100 km Amplificateur N sections = 1000 à km LPF Output data Multiplexeur Démultiplexeur Transmission optique - support fibre - amplification optique Génération de signaux optiques - transducteur E/O :lasers à semi-conducteurs - transducteur O/E : photodiode Accroissement des capacités - augmentation du débit limitation par dispersion, circuits électroniques - multiplexage en longueur donde (systèmes WDM) Le traitement tout-optique des signaux pas encore mature

5 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 5 1 ère génération : fibre multimode (0.85µm) 2 ème génération : fibre monomode (1.3 µm) 3 ème génération : laser DFB 1.55 µm 4 ème génération : amplification optique 5 ème génération : systèmes WDM Evolution des systèmes optiques Ruptures technologiques Laccroissement des capacités est « tirée » par linnovation technologie

6 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 6 Réseaux optiques trans-océaniques

7 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 7 Plan Support de propagation - Principe de guidage Fibre multimode Fibre monomode - Phénomène de dispersion - Atténuation Composants optoélectroniques - Rappel de physique électronique - Structures de laser à semiconducteurs - Photodetecteur Amplification optique Limitations physiques et familles de systèmes Réseaux tout-optiques Perspectives

8 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 8 Support de propagation fibre optique = guide donde diélectrique

9 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 9 Fibre optique Structure géométrique Phase 1 : élaboration dune préforme Phase 2 : tirage Cœur en silice Gaine en silice pureGaine en polymère Teflon

10 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 10 Propagation guidée : Approche géométrique Angle dinjection maximal : coeur = µm n1n1 n2n2 0 c n0n0 Ouverture numérique Réflexion totale i

11 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 11 Fibres multimodes : dispersion intermodale Profil à saut dindice Profil à gradient dindice (profil parabolique) Influence de la dispersion SI : n = BL = 10 Mb/s * km GI : profil parabolique, n = BL > 1 Gb/s * km

12 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 12 Propagation guidée : Approche électromagnétique Equation de propagation Solutions : modes TE, TH, EH, EH Propagation monomode : mode fondamental HE 11 coeur = 9 µm, n = Domaine spectral 1.2 – 1.7 µm Dimensions du guide imposées pour maintenir propagation monomode (fréquence normalisée) (constante de propagation normalisée)

13 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 13 Fibres monomodes : dispersion chromatique Dispersion chromatique - dispersion matériau (n SI = f( )) - dispersion « guide » (profil du mode = f( )) BL ~ 1/(D ) D en ps/nm/km = + = +

14 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 14 Dispersion dans les fibres monomodes Dispersion dans les fibres standardFamilles de fibres D 1.3 µm ~ 1 ps/nmm/km BL = 100 Gb/s * km D 1.55 µm ~ 17 ps/nmm/km BL = 5 Gb/s * km Influence de la dispersion

15 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 15 Origine - Diffusion Rayleigh (la silice est un milieu amorphe) - Absorption (résonance du matériau à différents ) Silice : Absorption IR Ions OH - : 1.24 µm & 1.39 µm Ions métalliques Atténuation dans les fibres optiques

16 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 16 Composants optiques dextrémités Lasers à semi-conducteurs & photodiodes

17 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 17 Sources à semi-conducteurs (1) Concepts de base : Interactions onde-matière 3 types de transitions entre le niveau fondamental E 1 et le niveau excité E 2 entre 2 niveaux dénergie dun atome E2E2 E1E1 E2E2 E1E1 E2E2 E1E1 Absorption stimulée Emission spontanée - Direction aléatoire - Phase aléatoire Emission stimulée - Cohérence spatiale - Cohérence temporelle Taux démission Spontanée (proportionnelle à la population du niveau E 2 ) Stimulée (gain stimulé proportionnel à la population du niveau E 2 )

18 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 18 Sources à semi-conducteurs (2) Recombinaison radiative dans les semi-conducteurs - Structure de bande dénergie : bande de valence (trous libres), bande de conduction (e - libres) - Une transition radiative est possible si : Conservation de lénergie Conservation de la quantité de mouvement Semiconducteur à gap-direct (AlGaAs, InP, …) EcEc EvEv EgEg Energie Vecteur donde Bande de conduction Bande de valence Energie Vecteur donde Bande de conduction Bande de valence Electrons trous Gap direct Gap indirect

19 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 19 Diodes électroluminescentes (DEL) Zone P Zone N Emission spontanée obtenue par recombinaison radiative Bande passante limitée par la durée de vie des porteurs (porteur = e - + trou) Diagramme de rayonnement lambertien ( rdt de couplage source-fibre = qques %) qques 10 à 100 µW de puissance optique couplée Contacts électriques

20 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 20 En régime établi onde stationnaire condition sur le gain : condition sur la phase : Zone active = Milieu amplificateur Confinement optique zone active = structure optique guidante Confinement électronique inversion de population Cavité résonnante optique Miroirs externe Faces clivées du matériau (n ~ 3-3.5) Diodes laser (1) Courant injecté R1R1 R2R2 L

21 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 21 Diodes laser (2) Caractéristique P (I) Structure typique Boitier

22 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 22 2 familles de diodes laser Laser Fabry-Pérot Laser DFB Condition daccord de phase laser mono- gain Modes de cavité Plusieurs modes se situent dans la courbe de gain laser multi-

23 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 23 Modulation du champ optique Photodiode = détecteur quadratique Modulation NRZ Modulation directe Modulation externe Simplicité de mise en œuvre Influence de la dispersion Complexité de mise en œuvre Influence de la dispersion minimale courant dinjection Diode laser données Modulateur externe Diode laser données Puissance Temps

24 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 24 Equations dévolutions porteurs photons fréquence Modulation directe dun laser à semi-conducteur Variation de la puissance optique P(t) (par la variation du gain du milieu) Variation de la fréquence optique optique (t) (par la variation de lindice de réfraction) Indice de réfraction complexe R b = 2.5 Gb/s

25 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 25 Modulation externe Modulateur de Mach-Zehnder Principe : - Modulateur de phase - Interféromètre MZ 1 (t) = - 2 (t) = ± /2 Possibilité de suppression du chirp Modulateur à Electro-absorption Pas de Chirp adiabatique Chirp transitoire ajustable Data

26 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 26 Photodiode ZCE Zone PZone N ( ~ 1 A/W à 1.55 µm) I Signal : 1 photon 1 e - I = P Bruits : - Bruit thermique N th = 4kT/R ch - Bruit de grenaille N qn = 2e P

27 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 27 Réception optique En réception, un comparateur à seuil régénère le signal La présence de bruit engendre lapparition derreur Seuil de réception typique Diagramme de loeil

28 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 28 3 ème partie : Amplification optique

29 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 29 Pré-amplification optique Conclusion : pré-amplification optique Apparition de nouvelles composantes de bruit Emetteur Ampli Filtre optique Signal Emission spontanée B o Signal G P in P out photodétecteurfibre B e

30 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 30 Sources supplémentaires de bruit Battement Signal-ASE Battement ASE-ASE Signal Emission spontanée Signal OPTIQUE ELECTRIQUE = 4 2 OPTIQUE ELECTRIQUE GP in BoBo Emission spontanée N sp B o /2 * GP in N sp BoBo Emission spontanée N sp Emission spontanée BoBo BeBe BeBe = 4 2 * N sp N sp B o BoBo

31 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 31 Pré-amplification optique : sensibilité du récepteur Si le gain de l amplificateur optique est suffisant : Sensibilité du récepteur

32 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 32 Systèmes optiques amplifiés (1) Amplificateur Le S/B se dégrade avec le nombre damplificateurs … Chaine damplificateurs ASE G P in P out Modélisation dun amplificateur Puissance de sortie constante (fonction de puissance de pompe) auto-contrôle automatique du gain ASE N ampli = N ASE 1 ampli Puissance signal diminuée (GL < 1)

33 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 33 Systèmes optiques amplifiés (2) Accumulation de lASE 1 amplificateur : N amplificateurs : 2 zones de fonctionnement Zone linéaire Plancher derreur

34 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 34 Systèmes optiques amplifiés (3) Rapport S/N requis en extrémité (Influence du taux dextinction) 10 Gb/s : OSNR 0.1nm = dB 40 Gb/s : OSNR 0.1nm = dB Influence T Ex & B elec

35 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 35 Système optiques amplifiés (4) La dégradation de OSNR est une fonction de pertes/tronçon 10 Gb/s / 1000 Km : pas 100 km 10 Gb/s / Km : pas < 50 km OSNR = 20 dB

36 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 36 Amplificateur à fibre dopée Erbium Niveaux dénergie de lion Erbium Architecture Labsorption dun photon de pompe permet la transition entre les états dénergie E 1 E 3 Transition rapide E 3 E 2 Population E 2 > population E 1 (inversion) émission stimulée Gain = dB P out = 13 – 23 dBm Bande de gain nm (bande C) nm (bande L) Transition rapide Pompage 980 & 1480 nm Emission Stimulée 1550 nm E3E3 E2E2 E1E1 mux Fibre dopée Er 5-15 m P in P out Diode de pompe (50 – 350 mW) Diode de pompe (50 – 350 mW)

37 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 37 Amplificateur à fibre dopée Er 3+ s a et s e : sections efficaces dabsorption/émission Evolution des populations Gain par unité de longueur La courbe de gain est dépendante de linversion de population n 2 = N 2 /N Er

38 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 38 Pré-égalisation Fibre dopée à verre fluoré EDFA Filtre-égaliseur passif Amplification Erbium en régime WDM Non-uniformité de la courbe de gain des amplificateur EDFA Solutions :

39 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 39 Techniques dégalisation de gain Pré-égalisation des signaux Egalisation du gain de lamplificateur Mux Input Pompe Mux Output Pompe Mux Techniques : réseaux photo-inscrits, films diélectriques, … Atténuation : 1 à 10 dB en fonction de la longueur donde et de larchitecture de lEDFA NF total = NF 1 + NF 2 /(G 1. T) ~ NF 1 si G 1 T >> 1 Entrée Sortie de chaîne dEDFA Sans pré-égalisation Avec pré-égalisation Nbre dEDFA et bande de gain réduits

40 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 40 Multiplexage en longueur donde

41 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 41 Plan de fréquence EDFA Bande C EDFA Bande L Spectre dabsorption cyanure dhydrogène (H 13 C 14 N) Système de stabilisation dune source laser (laser DFB, laser à cavité externe) Longueur donde de référence

42 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 42 Technologies de multiplexage Exemple : Multiplexeur 40 canaux, 100 GHz Caractéristiques typiques - Espacements: 25 (?), 50, 100 & 200 GHz - Nbr de canaux variables : 100GHz / 8 à 80 Ch - Gabarit de filtre : flat-top ou gaussien - pertes dinsertion : 2-3 dB - PDL < 0.2 dB - Pas de dépendance à la température Kylia 100GHz spacing< 18 ch.< 45 ch. Insertion loss< 2.5 dB< 3 dB PDL< 0.1 dB< 0.2 dB IL uniformity< 0.3 dB< 0.7 dB Adjacent X-talk> 33 dB Cumulative X-talk> 30 dB Channel 14 GHz Channel 24 GHZ PMD< 0.2 ps Chromatic dispersion±10 ps/nm Operating °C range-5 to 70 °C

43 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 43 Familles de systèmes optique

44 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 44 Familles de systèmes Fenêtre I (0.85 µm)Fibre multimode (2.5 dB/km) / Laser FP AsGa Fenêtre II (1.3 µm)Fibre monomode (0.5 dB/km) / Laser FP InP minimum de dispersion chromatique Fenêtre III (1.55 µm)Fibre monomode (0.2 dB/km) / Laser DFB minimum datténuation, amplification optique

45 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 45 Fibre multimode dispersion intermodale Saut dindice BL = c/(2n 1 ) = BL = 10 Mb/s * km Gradient dindice BL = 2c/(n 1 ) = BL = 1 Gb/s * km Fibre monomode dispersion chromatique f = D L E = m(t). exp(j o t + (t)) S opt (f)= S laser (f) S m (f) Laser FP : S laser >> S m (spectre démission S laser ~2-4 nm) BL < (4D ) -1 D = 1 ps/nm/km, = 2 nm BL = 125 Gb/s * km Laser DFB : S laser << S m (spectre démission S m = R b ) B 2 L < c /(4D ) (avec ~ R b * 2 /c) D = 17 ps/nm/km, B 2 L = 6000 Gb 2 /s * km Dispersion : limitation du produit débit*distance (1) Critère : élargissement de limpulsion f < T b /4 (R b = 1/T b ) TbTb

46 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 46 Dispersion : limitation du produit débit*distance (2)

47 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 47 Familles de systèmes 1 ère génération : fibre multimode 0.85 µm R < 50 Mb/s liaisons très courtes distances Limitation par latténuation Faible bande passante Application : réseaux locaux ( technologies bas coût) 2 ème génération : fibre monomode R < 560 Mb/s Liaisons courtes distances Dispersion chromatique faible à 1.3 µm Utilisation de laser FP Application: réseaux daccès (< 50 km) 3 ème génération : laser mono-longueur donde (structure DFB) R < 2.5 Gb/s Liaison moyennes distances Dispersion chromatique élevée à 1.55 µm Modulation directe de laser DFB Application: réseaux métropolitains (< 150 km)

48 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 48 Minimisation de la dispersion chromatique La distance maximale transmissible dune liaison amplifiée est limitée par la dispersion chromatique de la fibre. Utilisation de fibres à dispersion décalées : D guide et D matériau sont de signe opposé La dispersion guide est déterminée par le profil dindice du cœur La dispersion guide est « exacerbée » dispersion totale faible 1.55 µm SMF 17 ps/nm/km DSF < 0.1 ps/nm/km NZ-DSF 4-8 ps/nm/km DCF ~ -100 ps/nm/km 4 ème génération : systèmes mono- amplification en ligne, fibre DSF) Systèmes trans-océaniques 5 Gb/s > km

49 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 49 Systèmes WDM à gestion de dispersion Suppression de la dispersion accumulée D L + D comp *L comp = 0 Fibre de ligne Fibre de compensation 5 ème génération : systèmes WDM longue distance Limitation : bruits des EDFAs, effets non-linéaires (interaction NL entre canaux Performances : 1000 à >10000 km en fonction du pas damplification 50 – 100 km

50 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 50 Réseaux tout optiques

51 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 51 Réseaux tout optiques

52 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 52 1 Commutateur tout optique -Demux - Mux 1 N 1 N 1 11 M M M M Management, Signaling OXC Controller Optical Switch Matrix NM×NM (MEMS) Tunable wavelength converter Technology Multiplexeurs/Demultiplexeurs adressage mono- Commutateurs spatiaux routage fibre m vers fibre m Convertisseurs en matrice sans blocage

53 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 53 Perspectives

54 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 54 Les communications optiques « tirées » par les évolutions technologiques Fibres optical amplifiers sources WDM Filière doptique intégrée pour dispositifs HD-WDM Brasseurs WDM Systèmes point-à-points Transmission mono- > km Systèmes WDM Systèmes HD-WDM anneaux WDM, … Brasseurs WDM

55 Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 55 Accroissement de la bande spectrale


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