Pierre LECOY Professeur ECP /ENSEA Option ESE 2009 LES FIBRES OPTIQUES Pierre LECOY Professeur ECP /ENSEA Option ESE 2009

Sécurité des informations FIBRES OPTIQUES Avantages des fibres optiques : 0,2 dB/km Portée > 100 km Performances de transmission : très faible atténuation très grande bande passante multiplexage en longueur d’onde possible 10/40 Gbit/s par l Plusieurs Tbit/s ! Insensible aux perturbations Avantages de mise en oeuvre : faible poids, très petite taille, grande souplesse sécurité électrique (isolation) et électromagnétique Avantage économique : coût global du système souvent inférieur à celui d'un système “ sur cuivre ” Sécurité des informations Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Toujours en croissance FIBRES OPTIQUES Domaines d’utilisation : Marché fortement cyclique Télécommunications et réseaux : Liaisons longue distance, terrestres et sous-marines (WAN) Réseaux métropolitains (MAN) Réseaux locaux informatiques (LAN) Réseaux d’accès des abonnés Toujours en croissance Redémarrage du marché (FTTH) Liaisons industrielles et embarquées : contrôle, video, bus de terrain … interconnexions dans une carte ou une puce Insensibilité aux perturbations Capteurs et instrumentation optique Transport de lumière éclairage, visualisation, faisceaux laser … Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Pierre LECOY - Fibres optiques ESE Eléments d’un système sur fibres optiques : Amplificateur optique (répéteur-régénérateur pour les anciennes liaisons) signal électrique Interface Optique d'Emission Fibre Optique (IOE) Interface Optique de Réception (IOR) (signal optique) multiplexeur Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES A saut d’indice (step index) : Cône d'acceptance Q0 q0 revêtement z Cœur (indice n1) r a b Gaine (indice n2) n(r) Rayon réfracté Rayon guidé q0 Forte différence de temps de propagation Angle limite : n1.cos q0 = n2 ouverture numérique ON = sin Q0 = n1 sinq0 = Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES A gradient d’indice (graded index) : Cœur : indice n(r) r z a b Gaine (indice n2) n(r) n1 Faible différence de temps de propagation Indice du cœur : n(r) = n1 Différence relative d’indice D = Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES à saut d’indice à gradient d’indice Dispersion intermodale élevée (Dtim  100 ns/km) faible (Dtim  1 ns/km) Matériaux Plastique Silice/silicone toute silice (rare) Toute silice (cœur « dopé » à l’oxyde de germanium) Ouverture numérique (ON = 0,4 à 0,5) plus faible (ON = 0,2 à 0,3) Puissance couplée Applications Optiques (éclairage, etc …) Trans. données très courte distance réseaux locaux distribution Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Réponse impulsionnelle h(t) : t Impulsion émise e(t) t Impulsions reçues s(t) = e(t)*h(t) Dt im fibre à gradient d'indice Dt im fibre à saut d'indice Effet de la dispersion intermodale Effet de la dispersion chromatique Elargissement total d’impulsion : Dt = Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Réponse fréquentielle : - 3 dB 20 log H(f)/H(0) f BP (si) fibre à saut d'indice BP (gi) fibre à gradient d'indice Bande passante : BP  1/2Dt en MHz.km approximativement le produit longueur x bande passante est constant Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FIBRES OPTIQUES MONOMODES Condition de propagation monomode : V (fréquence réduite) = < 2,4 mais pas infinie (dispersions chromatique et de polarisation) il faut donc : un petit diamètre de cœur (typ. moins de 10 µm) une faible différence d’indice (typ. moins de 0,5%) l > lc longueur d’onde de coupure Inconvénient : raccordements très précis donc coûteux très grande bande passante  très hauts débits Avantages : - pas de dispersion intermodale - conservation de la cohérence de la lumière Ce n’est pas la fibre qui est chère ! Applications en instrumentation Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FIBRES OPTIQUES MONOMODES Caractéristiques : Divergence du faisceau en sortie : q0 = l/pw0 Profil à saut d’indice (fibre standard) r n2 n(r) n1 r E(r) 2w0 z gaine cœur 2a q diamètre de mode augmente avec l Profil gaussien du champ E(r) = E0 . exp -(r/w0)2 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FIBRES OPTIQUES MONOMODES Dispersion chromatique : entraîne un élargissement d’impulsion : Dtc = Dc. Dl.L Défauts de la fibre + biréfringence induite (contraintes … ) ps/nm/km Dispersion de polarisation (PMD, polarisation mode dispersion) existence de 2 polarisations de vitesses différentes entraîne un élargissement : Dtp = PMD. ps/km Caractère aléatoire Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

DISPERSION CHROMATIQUE Courbe dans la silice : Dc = DM + DG Dispersion guide < 0 dépend des paramètres de la fibre Dc (ps/nm/km) l (mm) 40 20 -20 -40 1 1,2 1,4 1,6 Dispersion matériau DM Pas adaptée au WDM Fibre à dispersion décalée (DSF) G653 nulle à 1,55 mm Fibre standard G652 : optimale à 1,3 mm utilisable à 1,5 mm (liaisons pas trop longues) Fibre NZ-DSF G655 (non zero – dispersion shifted fiber) Dispersion faible dans toute la 3ème fenêtre Adaptée au WDM (mux. en longueur d’onde) + compensation optique de la dispersion Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Pierre LECOY - Fibres optiques ESE ATTENUATION Atténuation intrinsèque des fibres de silice : 0,1 5 2 a (dB / km) l 1 0,5 0,2 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 µm Absorption infrarouge Diffusion Rayleigh fibre multimode coupure des modes d’ordre supérieur fibre monomode Pic OH 1ère 2ème 3ème fenêtre Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

PERTES EXTRINSEQUES Fuite de lumière …. réduites par … par courbure ou microcourbures aux raccordements Quelques applications : Capteurs mécaniques Pinces de contrôle de trafic réduites par … le choix de la fibre (forte ON) la structure du câble la précision des connecteurs Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FENETRES DE TRANSMISSION sur fibres optiques de silice : Fenêtre Première Deuxième Troisième Longueur d'onde 0,78 à 0,9 µm 1,3 µm 1,5 à 1,6 µm Type de fibre utilisées multimode multimode et monomode Atténuation très faible (0,2 dB/km) Dispersion chromatique faible, non nulle très faible dans les fibres à dispersion décalée faible (0,4 à 1 dB/km) forte (2 à 4 dB/km)   quasi nulle Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

FENETRES DE TRANSMISSION Fenêtre Première Deuxième Troisième Emetteurs : type DEL ; lasers VCSEL (très hauts débits) D.E.L.(multi-) D.L. standard (dans mono-) diodes laser DFB (monochromatiques) Récepteurs : matériau Silicium GaInAsP / InP Ge, HgCdTe (très peu employés) Coût des composants faible moyen élevé   Applications Transmissions courte distance ; réseaux locaux ; gigabit à très courte distance Transmissions moyennes et longues distance ; MAN et LAN haut débit très longue distance (WAN) et à amplification optique Multiplexage entre les deux fenêtres (par exemple : une par sens) "Dense" (nombreux canaux dans la même fenêtre) GaAlAs/GaAs FTTH Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

PRINCIPAUX TYPES DE FIBRES Matériau Plastique Toute silice (cœur « dopé » au GeO2) Type Multimode saut d’indice Multimode gradient d’indice Monomode standard disp. décalée Diamètres cœur / gaine (mm) 980/1000 50/125 62,5/125 9/125 7/125 Longueurs d’onde et atténuation Visible 200 dB/km 0,85 µm – 1,3 µm 3 dB/km – 0,9 dB/km 1,3 – 1,55 µm 0,5 – 0,2 dB/km 1,5 à 1,6 µm 0,22 dB/km Débits typ. et distances 10 à 100 Mb/s 100 m 100 Mb/s /5 km 1 Gb/s /400 m 100 Mb/s 2 km 1 à 10 Gbit/s 20 à 50 km n x 10 Gbit/s milliers de km Mise en œuvre pb. particuliers Facile température Assez facile Plus délicate raccordements Coût global Faible Assez faible Plus élevé (interfaces, connecteurs) Applications principales Eclairage, visualisation, trans. données très courte distance Distribution, LANs hauts débits (GE courte distance) LANs tous débits LANs très hauts débits, MANs, FTTH/PON, moyennes dist. Liaisons très longues (avec amplificateurs et WDM) Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

CABLES A FIBRES OPTIQUES Doc. ACOME Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Pierre LECOY - Fibres optiques ESE CONNECTEURS OPTIQUES Grande variété ! Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

COMPOSANTS DES SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES Type Technologie Optique passif actif non réciproque Opto-électronique Verres (fibres assemblées ou substrats de verre) Coupleurs Filtres Atténuateurs Multiplexeurs Commutateurs (lents) Amplificateurs à fibres ou verres dopés Cristaux de type LiNbO3 id. Modulateurs Commutateurs Isolateurs Semi-conducteurs III – V ou Si Amplificateurs à s-c Emetteurs Récepteurs Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Pierre LECOY - Fibres optiques ESE COUPLEURS Coupleur en X Coupleur en Y demi-coupleur en X ! pertes réciproques -3dB fibres abrasées et collées, ou fusionnées par la tranche regroupement de signaux -3dB partage de la puissance en 2 parts, égales ou non (splitter) Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Pierre LECOY - Fibres optiques ESE COUPLEUR EN ETOILE à fibres torsadées et fusionnées Pe n fibres Pe/n perte : 10 log n (théorique) + perte en excès Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

MULTIPLEXAGE EN LONGUEUR D’ONDE Différents types : à deux voies (ou deux fenêtres) ; peu sélectif l à plusieurs voies proches : DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing CWDM, Coarse Wavelength l l Intérêts : - augmente la capacité des liaisons (même déjà installées) - permet des réseaux multiterminaux Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE de type : à deux voies, technologie à filtres dichroïques Filtre dichroïque l1 et l2 l1, transmis l2, réfléchi Permet le multiplexage de signaux en sens identiques ou opposés entre deux fenêtres de transmission Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE Principe du réseau de diffraction (grating) diffraction par une surface gravée + interférences o r d e 2 q2 q1 1 Vers fibres à accès sélectif L L s i n qm = m l onde plane incidente (fibre accès commun) Applications : (dé)multiplexeurs en l analyse spectrale Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

RESEAUX DE BRAGG Bragg gratings Principe des réseaux de Bragg photoinscrits : fibre (ou guide) optique zone où l’indice est modulé périodiquement (pas = L) ----------------------> lumière incidente polychromatique ------- --------------> les autres sont transmises une seule longueur d’onde est réfléchie: celle pour laquelle il y a accord de phase entre les réflexions élémentaires : l = L.2n Applications : filtres, (dé)multiplexeurs, capteurs d’allongement Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

MULTIPLEXEUR D’INSERTION- EXTRACTION OADM, Optical Add-Drop Multiplexer li extrait (signal 1) li inséré (signal 2) réseau de Bragg à li circulateurs permet d’extraire un signal, et d’en insérer un autre à sa place sans démultiplexer l’ensemble Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

MODULATEUR OPTIQUE Interféromètre de Mach – Zehnder : utilisation de l’effet électro-optique en optique intégrée +V -V + f - f 2f = p : rien Entrée Sortie Bras de l'interféromètre f = 0 : tout électrodes Applications : Modulation tout ou rien Modulation analogique (en cos2f) Modulation de phase à 2 états avec f = p (formats duobinaire ou DPSK) Le champ modifie l’indice, donc la phase Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Pierre LECOY - Fibres optiques ESE MODULATEUR OPTIQUE lumière continue Signal (10 à 40 Gbit/s) lumière modulée à plus bas débit, la modulation interne est possible, et plus économique pour modulation externe nécessaire à très haut débit Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

COMMUTATEURS OPTIQUES Technologies : Rapidité Encombrement consommation Capacité Applications Mécanique 100 ms important faible Faible Sécurisation de réseaux Micromécanique (MEMS) ms moyenne Elevée Brasseurs (matrices) Optique intégrée (acousto- ou electro-optique) µs à ns élevée Assez Commutation temporelle 3D (ex. holographiques) ms / s moyen faible (LCD) Très Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

COMMUTATEUR OPTIQUE « switch » à deux voies Mode de fonctionnement Doc. DICON Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Exemple de réalisation en MOEMS COMMUTATEUR OPTIQUE Matrices de commutation à micromiroirs Exemple de réalisation en MOEMS (Micro Optical Electrical Mechanical Structure) ; Lucent, 2000 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

MATERIAUX ELECTROLUMINESCENTS Semi-conducteurs III-V : III IV V B C N Al Si P Ga Ge As In Sn Sb lecture de disques optiques, visualisation … GaN/InGaN bleu (l = 440 nm) GaP vert (l = 565 nm) Ga Asx P1-x du jaune au rouge GaAlP rouge à haut rendement GaAs 1ère fenêtre infrarouge (l = 900 nm) Ga1-x Alx As entre 700 et 900 nm en fonction (décroissante) de x Ga1-x Inx Asy P1-y 2ème ou 3ème fenêtre infrarouge (l = 1200 à 1600 nm en fonction croissante de x et y) Ga1-x Inx Asy Sb1-y autour de 2,5 µm DEL blanches : par phosphorescence d’un matériau excité dans le bleu Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

EMETTEURS Diodes électro-luminescentes : - - Emission dans la deuxième Principe de l’hétérojonction Photons émis Photons émis première fenêtre Couches de Couche active substrat Emission dans la confinement GaAs GaAlAs p n + - - Emission dans la deuxième ou troisième fenêtre (suivant composition de la couche active) InP n p + GaInAsP Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Courant supérieur à un seuil DIODES LASER Structure Fabry Pérot Emission face arrière Courant supérieur à un seuil Couches de confinement L Isolant Ruban Contact conducteur Couche active GaAlAs Substrat courant Amplification si J > Jth Emission face avant diverge du fait de la diffraction + résonance pour lp = 2Ln/p l Spectre multimode (large) Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

d’une seule longueur d’onde EMETTEURS Diodes laser : structure DFB (distributed feed-back) Composant coûteux ! Ruban enterré (couche active) GaInAsP p Substrat (InP) n Réseau de diffraction intégré sur le guide Réflexion distribuée d’une seule longueur d’onde l = 2L.n coupe du coin Spectre monomode (étroit) l Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

(vertical cavity surface emitting laser) EMETTEURS Diodes laser : structure VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) Emission de lumière Couche active Miroir de Bragg inférieur supérieur Substrat Contacts électriques Test possible sur wafer Composant de hautes performances mais économique à fabriquer Applications à 850 nm : courte distance et (très) hauts débits (10 Gbit/s) lecture optique, impression ….. Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

EMETTEURS POUR FIBRES OPTIQUES Type DEL Laser VCSEL Laser FP Laser DFB Puissance couplée 10 à 100 µW qq. mW Emission par la surface, divergente par la surface, peu divergente par la tranche, assez divergente Longueurs d’onde 0,85 et 1,3 µm 0,85 µm 1,3 µm 1,3 et 1,55 µm Spectre large étroit (une raie) assez large (plusieurs raies) très étroit (une raie très fine) Caract. P(i) linéaire seuil, 5 à 10 mA seuil, 10 à 30 mA Fréquence max. de modulation 100 à 200 MHz plusieurs GHz Coût très faible faible assez élevé élevé Utilisations transmission à courte distance sur fibres multimodes haut débit (typ. GE) à courte distance, fibres multi. + lecture optique, imprimantes … haut débit sur fibres monomodes à 1,3 µm, FTTH très haut débit sur fibres mono. surtout à 1,55 µm, systèmes WDM En recul Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

EMETTEURS Différents boîtiers : Module à diode laser à fibre amorce en embase de connecteur Doc. NORTEL Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Sensibilité spectrale : RECEPTEURS Principe de la photodiode PIN non dopée (i = intrinsèque) Photons Couche anti-reflets Zone d'absorption Substrat p+ i n R V E Sensibilité spectrale : l S 1 mm GaInAs Si trous électrons i = iS + iD iS = S.P photocourant S sensibilité de la photodiode (en A/W) = hq/hn iD courant d'obscurité responsivity Bruit quantique : <iq2> = 2q.i.DF dark current Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

BRUIT DU RECEPTEUR Modèle (simplifié) : Rapport signal / bruit : RSB = Bruit de fond électronique <iF2> indépendant de P iS=S.P P PEB. DF équivalente Bruit quantique (ou bruit de grenaille) <iq2> = 2qSP.DF Rapport signal / bruit : RSB = Puissance équivalente de bruit : PEB = pW/Hz d’où RSB = optique Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

Pierre LECOY - Fibres optiques ESE TRANSCEIVER Module d’émission - réception Doc. NORTEL Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

AMPLIFICATION OPTIQUE Principe dans une fibre dopée Erbium : (EDFA, erbium doped fiber amplifier) Amplifie autour de 1,5 mm Autres matériaux : Neodyme (Nd) à 1,06 mm niveaux d'énergie niveaux élargis par effet Stark à 0,8 µm Absorption : à 0,98 µm à 1,48 µm transitions non radiatives transition radiative à 1,536 µm E Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

AMPLIFICATION OPTIQUE Spectre dans l’erbium : l 1,45 1,50 1,55 1,60 µm Section efficace (10-25 m2) 6 4 2 amplification Spectre d'émission (fluorescence) Spectre d'absorption Amplifie de nombreuses longueurs d’onde pompage Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

AMPLIFICATEUR OPTIQUE A FIBRE DOPEE ERBIUM Schéma (amplificateur unidirectionnel, pompage vers l'aval) : fibres adaptatrices isolateur entrée Multiplexeur filtre isolateur sortie fibre amplificatrice Photodiode de contrôle diode laser de pompe = soudure avantages : amplifie un grand nombre de longueurs d’ondes simple car pas d’électronique haut débit mais … pas de régénération  ne compense pas la dispersion  accumulation du bruit et des effets non linéaires Pierre LECOY - Fibres optiques ESE