Réseaux de transmission photoniques Métrologie des fibres optiques Marc Wuilpart / Véronique Moeyaert / Patrice Mégret 5ème Electricité - Télécommunications II 1

Plan de l’exposé Intérêt de la métrologie Normalisation Mesure de l’atténuation Mesure de la longueur d’onde de coupure Mesure du diamètre de champ de mode Mesure de la dispersion chromatique Mesure de la dispersion modale de polarisation Mesures réflectométriques 2

Une liaison contient différents types de composants caractérisés par de nombreux paramètres 3

Pourquoi un intérêt dans la métrologie des fibres optiques ? Caractérisation des fibres par le fabricant. Caractérisation des fibres dans les laboratoires de recherche. Caractérisation des fibres câblées par le câblier (Opticable -Nexans-, Câbleries d’Eupen, …). Caractérisation des fibres par l’installateur après la pose et avant la livraison du réseau. Caractérisation des fibres par le propriétaire du réseau optique avant la location de fibres à un tiers. Maintenance du réseau optique. 4

Reproductibilité et précision sont deux caractéristiques importantes d’un dispositif de mesure 5

La normalisation est vitale pour assurer un bonne reproductibilité des mesures Les organismes de normalisation définissent les paramètres des fibres optiques et les procédures de mesure. 6

L’ITU-T définit les caractéristiques géométriques, mécaniques et optiques attendues des fibres optiques ITU-T G.650.1 : Définitions et procédures de mesures pour les caractéristiques linéaires et déterministes des fibres optiques. ITU-T G.650.2 : Définitions et procédures de mesures pour les caractéristiques non linéaires et statistiques des fibres optiques. ITU-T G.651 : Câbles à fibres optiques multimodes à gradient d’indice (50/125 µm). ITU-T G.652 : Câbles à fibres optiques monomodes. ITU-T G.653 : Câbles à fibres optiques monomodes à dispersion décalée. ITU-T G.654 : Câbles à fibres optiques monomodes à longueur d’onde de coupure décalée. ITU-T G.655 : Câbles à fibres optiques monomodes à dispersion décalée non nulle. 7

Caractéristiques principales des fibres selon les recommandations de l’ITU 8

Atténuation A, atténuation spectrale A() et atténuation linéique Atténuation spectrale A() [dB] Atténuation linéique () [dB/km] (pour une fibre uniforme) 9

L’atténuation linéique est représentée par la pente d’une droite Pente = - [dB/km] z z1 z2 Mesure de P(0), P(L) et L  Précision de P(0) ? Méthode du ‘cut-back’ (fibre courte/fibre longue) pour la mesure de l’atténuation linéique. Méthode destructive utilisée en laboratoire! 10

La méthode du ‘cut-back’ pour la quantification de l’atténuation est précise mais destructive Empêche la propagation sur la fibre courte des autres modes que LP01 Favorise la conversion des modes de gaines en modes de rayonnement (Fibre courte) (Fibre longue) Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» 11

Principe du calcul et principe de mesure de l’atténuation linéique spectrale Fibre longue Fibre courte Atténuation linéique : Atténuation linéique spectrale () : Méthode du ‘cut-back’ à différentes longueurs d’onde (source accordable en longueur d’onde ou source large bande suivie d’un monochromateur). 12

Résultat de mesure de l’atténuation spectrale (l) [dB/km] Sensibilité du wattmètre Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» 13

La longueur d’onde de coupure est la longueur d’onde au-dessus de laquelle la fibre est monomode V=2,4 Monomode Multimode Tiré de Senior «Optical Fiber Communications» 14

Définition de la longueur d’onde de coupure effective Longueur d’onde de coupure effective par opposition à la longueur d’onde de coupure théorique. Par définition : longueur d’onde pour laquelle le rapport entre la puissance totale, y compris les modes injectés d’ordre plus élevé, et la puissance en mode fondamental vaut 0.1 dB. Mesure = utiliser la variation en longueur d’onde de la puissance transmise par un court tronçon de fibre par rapport à une puissance émise de référence 15

Méthode de mesure ‘de la puissance émise’ pour les fibres optiques Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»  < 10 nm L’intervalle de longueur d’onde doit couvrir la longueur d’onde de coupure. Stabilité en intensité et en longueur d’onde pendant la mesure. Les modes LP01 et LP11 soient injectés dans le fibre 16

Protocole de mesure de la méthode de mesure Première étape : Faire uniquement la boucle A de 14 cm de rayon Mesurer P1(l) qui correspond A la propagation de LP01 et LP11 si l < lcutoff A la propagation de LP01 si l > lcutoff Deuxième étape (sans changer l’injection et la détection) : Ajouter la boucle B de 3 cm de rayon LP11 est très sensible à la courbure lorsque l  lcutoff Mesurer P2(l) (= puissance de référence) qui correspond à la propagation du seul mode LP01 lorsque l > (lcutoff - D) Quelques dizaines de nm 17

Détermination de la longueur d’onde de coupure effective Calcul de R(l) à partir des puissances mesurées : La longueur d’onde effective est la longueur d’onde pour laquelle le rapport R(l) vaut 0.1 dB Mise en œuvre délicate de la méthode : ne pas introduire de torsion dans les boucles. ne pas modifier les conditions d’injection et de détection. Mesures de laboratoire 18

Exemple de résultat de mesure Technique de la laboratoire cc < c  conditions expérimentale pour les cables très importantes pour simuler les conditions de terrain. Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» 19

Le diamètre de champ de mode est un paramètre fondamental Le MFD est déterminé à partir de la distribution du champ électrique du mode LP01. Modèle le plus souvent considéré : Le MFD est défini par from Keiser, "Optical Fiber Communications" from Senior, "Optical Fiber Communications" 20

Méthode de mesure Mesure du champ lointain F²(q) en fonction de q et calcul de MFD. Ou méthodes alternatives dont Champ proche Mesure de l’intensité f²(r) du champ proche en fonction de la coordonnée radiale r Calcul de MFD selon : Calcul numérique délicat Précision moins bonne Utilisation plus facile 21

Dispositif de mesure du diamètre de champ de mode par la ‘méthode de mesure du champ proche’ Projection agrandie du champ proche à la sortie de la fibre LP01 uniquement D < 10 nm l > lcutoff Quelques mètres de la fibre à mesurer Mesure de f²(r)  Calcul de MFD 22

Exemple de mesure de f2(r) pour une fibre dopée à l’Erbium 1310 nm 1550 nm Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» Prédétermination des pertes de couplage : 23

Effet de la dispersion (intermodale, chromatique ou modale de polarisation) La dispersion d’un signal optique dans une fibre optique provoque des distorsions pour des systèmes de transmissions tant numériques que analogiques. Dans un système de transmission numérique, le mécanisme de dispersion induit un élargissement temporel de l’impulsion émise à mesure de sa progression dans la fibre. Cela réduit la bande passante de la fibre et induit de l’interférence entre symboles (ISI) L from Senior, "Optical Fiber Communications", Prentice Hall, 1992 24

C’est la courbe de dispersion qui définit les propriétés de dispersion d’une fibre 25

Méthodes de mesure de la dispersion chromatique Méthode du délai Mesure à différentes  de la différence entre le délai de groupe d'impulsions dans une fibre de référence et le délai de groupe des même impulsions dans la fibre à tester. Méthode interférométrique Permet la mesure sur de petites longueurs de fibre. Basée sur l'interférence entre deux trains d'ondes, issus du bras de test de l'interféromètre et du bras de référence. Si la différence des délais de groupe est inférieure au temps de cohérence, les signaux recombinés à la sortie de l'interféromètre donneront naissance à un spectre d'interférence. En modifiant , on construit la courbe du délai de groupe donc, de D() 26

Méthodes de mesure de la dispersion chromatique Méthode de la déviation de phase (phase shift technique) Mesure de la valeur du délai de groupe en fonction de chaque longueur d’onde grâce à la mesure de la déviation de phase subie par un faisceau monochromatique modulé sinusoïdalement traversant la fibre à tester. La différence de phase vaut : Opération de dérivation  précision Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» 27

La méthode de la double démodulation évite la dérivation But : ne pas devoir différencier le délai de groupe mais accéder directement à la valeur de D() car, si l'écart des longueurs d'onde n'est pas trop grand, Il suffit de superposer une modulation de longueur d'onde à la modulation sinusoïdale d'intensité pour détecter la déviation de phase différentielle et donc le délai de groupe différentiel. La phase f(l) est connue modulo 2p!  incertitude 28

Principe de fonctionnement Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» V1=k.f1 et V2=k.f2 29

Résultats 30

Résultats 31

Méthode de mesure de la dispersion chromatique par comptage de photons Tiré de Huttner et al, Photon-counting techniques for fiber measurement; lightwave, August 2000  32

La PMD résulte de la biréfringence et du couplage de modes 33

Techniques de caractérisation Trois méthodes de mesure sont discutées dans les organismes de normalisation : La technique de l’analyseur fixe La méthode interférométrique La ‘Jones Matrix Eigen-analysis’ (JME) La quantité mesurée est une quantité statistique, évaluée sur une population d’échantillon finie (t, ). 34 20

La méthode de l’analyseur fixe nécessite une source large bande 35

La méthode JME nécessite la mesure des matrices de Jones de la fibre Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» Le polarimètre mesure la matrice de Jones de la fibre T() à deux longueurs d’onde successives : 36

Exemple de résultat La méthode JME fournit de l’information sur la statistique de la PMD. Sensible aux vibrations (méthode de labo) Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» 37

La méthode interférométrique utilise un interféromètre de Michelson Insensible aux vibrations (méthode de terrain) Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» 38 21

La précision dépend de l’intervalle de longueur d’onde utilisé pour la mesure 39

Mise en œuvre de la technique de mesure réflectométrique : l’OTDR OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) Basé sur la mesure de la diffusion Rayleigh. Equipement analysant le temps écoulé entre l’injection d’une impulsion optique et les multiples réflexions de cette impulsion. La vitesse de propagation est connue dans la fibre, la distance des éléments réflectifs est donc également connue. Permet de : Localiser les défauts d’une liaison optique à partir d’une seule extrémité. Mesurer la longueur de fibre, l’atténuation linéique, la perte d’insertion et le return loss de connecteurs et d’épissures. Equipement de terrain @ 1310 nm, 1550 nm et 1625 nm. 40

Technique de mesure basée sur la rétrodiffusion de Rayleigh Une fraction du signal diffusé est recapturée par la fibre optique et se propage vers la source. C’est la rétrodiffusion de Rayleigh (au moins présente de 800 à 1750 nm). Une discontinuité (variation brusque de l’indice de réfraction = fin de fibre, défaut, connecteur, ...) provoque une diffusion locale supplémentaire ou une réflexion et fait varier la puissance du signal rétrodiffusé. Signal mesuré à l’OTDR 41

L’OTDR est un outil très utilisé dans le domaine des fibres optiques Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» L’OTDR mesure la puissance rétrodiffusée en fonction du temps t. La puissance rétrodiffusée mesurée au temps t correspond au point de diffusion situé à une distance z avec : 42

provient de la ‘zone de rétrodiffusion’ La puissance mesurée à l’OTDR dépend de l’atténuation de la fibre et de la durée des impulsions Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»  Si W est la largeur de l’impulsion  provient de la ‘zone de rétrodiffusion’ Si  Pour des courtes impulsions (tW<<1) 43

Zone de rétrodiffusion Le signal rétrodiffusé mesuré par l’OTDR en un instant t = 2t1 correspond en fait à la somme intégrée de la lumière rétrodiffusée entre les distances z − W/2 et z 44

La pente de la trace OTDR nous renseigne sur l’atténuation linéique de la fibre L’OTDR affiche cinq fois le logarithme en base dix de la puissance mesurée au détecteur. En procédant de la sorte, on peut montrer qu’une fibre optique homogène est caractérisée par une ligne droite dont la pente est l’atténuation exprimée en dB.  Pente = - [dB/km] z 45

Ce concept peut être généralisé pour une concaténation de plusieurs fibres Atténuations différentes Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques» 46

La longueur de résolution dépend de la largeur des impulsions Les deux défauts ponctuels sont résolus au récepteur lorsque les impulsions réfléchies en z1 et z2 ne se chevauchent pas, c’est-à-dire lorsque : 47

Perte d’insertion et return loss Soit un évènement en zd : Perte d’insertion : Return loss : 48

Evaluation de IL[dB] et RL[dB] La perte d’insertion (IL) d’un événement situé en zd est la différence de puissances en zd+ et en zd-. Le return loss (RL) est fonction de : la hauteur H [dB] du pic de réflexion en zd associé au défaut. la durée T [s] de l’impulsion utilisée. la puissance rétrodiffusée par la fibre optique Bs exprimée en dB en-dessous du niveau de puissance incidente pour une impulsion de une seconde. on peut montrer que : IL 49

Exemple de trace OTDR montrant le calcul du Return Loss 50

Une trace OTDR fournit un grand nombre d’informations sur la liaison optique 51

Dynamique d’un OTDR Par définition : Perte maximale mesurable (one way) : différentes définitions !  35 à 40 dB pour un équipement classique . Dépend de la largeur et de la puissance de crête de l’impulsion, c’est-à-dire de l’énergie injectée dans la fibre. Dépend de la longueur d’onde de l’OTDR (P(0) doit  si l  ). Améliorable en augmentant le nombre de mesures et en calculant la moyenne des résultats obtenus. Il existe un compromis entre dynamique et résolution 52

Présence de pics fantômes = pics ne correspondant pas à un événement réel 53

Zone morte (dead zone) Observée à la suite d’un défaut réflectif. Due au temps de relaxation du photodétecteur après saturation et dépend de la largeur de l’impulsion de travail. Définie comme la distance à partir de laquelle le niveau de puissance est revenu à X dB du niveau normal de la puissance rétrodiffusée (typiquement 0.5 dB). 54

Pourquoi travailler à 1625 nm? Monitoring maintenant le service actif à 1310 ou 1550 nm. Sensibilité aux macrocourbures augmente si l augmente. (Confinement dans le cœur diminue) 55

Les grandes longueurs d’onde sont plus sensibles à la courbure from Keiser, "Optical Fiber Communications" Lorsque V, le pourcentage d’énergie dans le coeur . Lorsque V, le pourcentage d’énergie dans l’enveloppe . 56