Fibre Optique Formation

Généralités sur l'optique Notions élémentaires sur la F.O. DWDM Aspect matériel

Objectifs Pourquoi la fibre Optique ? Des transmissions multiservices toujours croissantes L'avènement du réseau "tout optique" pour remplacer les réseaux numériques déployés (PDH vers 1980 puis SDH dès 1990) L'atout de la lumière guidée L'immunité aux interférences externes

Comparaison avec les autres média Paires torsadées Câble coaxial Fibre optique Coût Bas Moyen Assez élevé Bande passante Moyenne Large Très large Longueur maximale Elevée Immunité aux interférences Basse moyenne Moyenne élevée Très élevée Facilité de connexion Simple Variable Difficile Facilité d'installation Fiabilité Bonne Très bonne

Spectre disponible La quantité d'informations susceptible d'être transportée est proportionnelle à la fréquence de l'onde porteuse : Lm = Cm/s / FHz avec C = 3 108 VLF ( Very Low Frequency ) de 3 à 30 kHz de 10 à 100 km LF ( Low Frequency ) de 30 à 300 kHz de 1 à 10 km MF ( Medium Frequency ) de 300 à 3000 kHz de 100 à 1000 m HF ( High Frequency ) de 3 à 30 MHz de 10 à 100 m VHF ( Very High Frequency ) de 30 à 300 MHz de 1 à 10 m UHF ( Ultra High Frequency ) de 300 à 3000 MHz de 1 à 10 dm SHF ( Super High Frequency ) de 3 à 30 GHz de 1 à 10 cm EHF ( Extra High Frequency ) de 30 à 300 GHz de 1 à 10 mm Lumière infra-rouge de 100 à 1,6 µm Lumière visible de 1,55 à 0,8 µm

Spectre disponible F.V. Infra-rouge 100 Hz 1 kHz 10 MHz GHz THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF km hm dam m dm cm mm µm F.V. Infra-rouge U.V.

Spectre disponible F.V. Infra-rouge Onde de sol 100 Hz 1 kHz 10 MHz GHz THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF km hm dam m dm cm mm µm F.V. Infra-rouge U.V. Onde de sol Réflexion ionosphérique Réfraction troposphérique Mode de propagation Dispersion troposphérique Visibilité directe

Radiodiffusion visuelle Spectre disponible 100 Hz 1 kHz 10 MHz GHz THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF km hm dam m dm cm mm µm F.V. Infra-rouge U.V. Ondes longues (OL) 150 à 285 kHz Ondes moyennes (OM) 0,525 à 1,6 MHz Radiodiffusion sonore Ondes courtes (OC) 4 à 26 MHz Ondes ultra-courtes (OUC) 87,5 à 108 MHz Télévision (bande I, III, IV et V) Radiodiffusion visuelle 41/68, 174/216, 470/605, 606/960 MHz

Télégraphie et téléphonie par ondes courtes Spectre disponible 100 Hz 1 kHz 10 MHz GHz THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF km hm dam m dm cm mm µm F.V. Infra-rouge U.V. Faisceaux hertziens (FH) 0,25 à 22 GHz Satellites 3 à 30 GHz télécommunications Systèmes de Télégraphie et téléphonie par ondes courtes 1,6 à 30 MHz Radio communications mobiles 80, 160 et 460 MHz

3 longueurs d’onde utilisées en communications optiques Lumière visible l Infra-Rouge Ultra-Violet 800 nm 1300 nm 1550 nm F = c / l l Optique: partie qui traîte des propriétés physiques de la lumière et des phénomènes de la vision. La lumière appartient au spectre électromagnétique, c’est donc une onde électromagnétique de très très haute fréquence par rapport aux ondes électromagnétiques radiofréquences. 3 longueurs d’onde utilisées en communications optiques

Concepts de l'optique Optique "géométrique" Optique "ondulatoire" Rayons lumineux rectilignes utilisés pour la description des instruments optiques classiques (lentilles, lunettes,…) Optique "ondulatoire" Les rayons peuvent être perçus comme des ondes électromagnétique qui se propagent.

Vitesse de propagation Vitesse de propagation de la lumière dans le vide : C = 300 000 km/s (Célérité) La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu est : Vitesse de propagation = C / n ( n = indice de réfraction ) Les principaux indices de réfraction sont : 1 pour le vide 1,003 pour l'air 1,3 pour l'eau 1,5 pour le verre 2 pour le diamant

Indice optique d'un milieu L'indice absolu n1 d'un milieu est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans le milieu considéré. 1 c n = Vitesse de la lumière : c = 299792,5 km/s

La réflexion La réfraction La diffusion L'absorption La diffraction Théorèmes optiques La réflexion La réfraction La diffusion L'absorption La diffraction

1ère loi de Descartes i i' N n1 n2 La Réflexion Rayon réfléchi La réflexion est le renvoi de la lumière par la surface qui la reçoit : Le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence 1ère loi de Descartes i i' Rayon réfléchi Rayon incident N n1 n2

La Réflexion

2ème loi de Descartes i N n1 n2 r La Réfraction Rayon incident La réfraction est la déviation subie par les rayons lumineux à la traversée de la surface séparant deux milieux transparents : Le rayon réfracté se trouve dans le plan d'incidence L'angle de réfraction suit la loi : n1 sin i = n2 sin r 2ème loi de Descartes i r Rayon incident N n1 n2 Rayon réfracté

Réflexion & Réfraction Rayon incident  N n1 n2 Rayon réfléchi n1 > n2 Rayon réfracté i =  = angle limite de réfraction i >  (effet miroir)

L'absorption Partie de l'énergie lumineuse qui est absorbée par certains éléments. Elle est transformée en une autre forme d"énergie : Vibrations moléculaires Rayonnement stimulé ……

La diffusion La diffusion est le renvoi de la lumière dans toutes les directions par le milieu qu'elle frappe. R

La diffraction La diffraction est l'éparpillement d'un rayon lumineux traversant une ouverture de faible diamètre sur une surface finement striée. réel théorique

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Structure d'une fibre optique Fibres multimode 20 à 100µm Fibres monomode < 10 mm 250 mm 125 mm Gaine optique (n2) LA FIBRE OPTIQUE : structure cylindrique et concentrique Coeur (n1>n2) Gaine mécanique

Principe du guidage dans une fibre Rayon réfracté N Rayon guidé Si l ’angle d ’incidence avec la normale N est trop important, il y aura réfraction dans la gaine de la fibre. Il existe donc un angle limite qu ’il ne faudra pas dépasser pour éviter ce phénomène de réfraction; Il existe un angle limite d’injection

L'injection dans la fibre Cône d’acceptance n1 n2 N N Si n1=1,490 et n2=1,470 ON=0.24 et téta vaut 24° ce qui fait un demi angle au sommet de 12° On comprend alors les grosses difficultés à respecter cet angle d ’injection. Ouverture numérique

Conditions de guidage Il existe deux conditions de guidage : n1 > n2 i >   réflexions totales tout au long de la fibre optique On utilise deux types de fibre. 10 µm < Rayon de cœur < 100 µm Bande passante limitée à 1GHz Fibres à saut ou gradient d’indice Fibre multimode Rayon de cœur très faible Bande passante > 1GHz Fibres à saut d’indice Fibre monomode 26

La notion de mode Issue du caractère ondulatoire de la lumière, l'injection d'une onde électromagnétique dans la fibre optique entraîne une décomposition de l'énergie incidente en sous entités énergétiques ou "mode" qui se propagent différemment. En multimode l'énergie se répartie sur plusieurs modes ou chemins possibles. Les chemins étant de longueurs différentes, les temps de propagation seront différents, ce qui limitera la bande passante. C'est la dispersion modale. Elle est négligeable en monomode

La fibre multimode à saut d'indice Elles sont constituées: d’un cœur d’indice n1 d’une gaine d’indice n2

Propagation de la lumière dans la fibre multimode à saut d'indice Pulse émis  Les trajets n’auront pas le même temps de parcours de la fibre optique, il en résulte à la sortie un temps d’intégration du capteur, on a un étalement temporel du pulse reçu par rapport à celui émis. Étalement + atténuation t ’ Plusieurs modes de propagation

Fibre multimode à gradient d'indice Elles limitent le phénomène d’élargissement d’impulsion r n L'indice du cœur varie suivant une loi parabolique fonction de r

Propagation de la lumière dans la fibre multimode à gradient d'indice Pulse émis  t Atténuation Etalement moins important ’ Propagation plus rapide que pour le cas d’une fibre optique à saut d’indice. Les rayons étant confinés autour de l’axe central de la fibre, ils subissent des réflexions totales avant l’interface cœur/gaine optiques. Plusieurs modes de propagation

Elles sont constituées: La fibre monomode r n Le diamètre du cœur est très petit Elles sont constituées: d’un cœur d’indice n1 d’une gaine d’indice n2

Propagation de la lumière dans la fibre monomode Faible atténuation Faible étalement  t Pulse émis  Tous les rayons auront le quasiment même temps de parcours d’où un faible étalement temporel. Un seul mode de propagation

La fréquence normalisée (V) C’est une variable utilisée par les technologues, elle est donnée par la relation suivante: ON . R V . 2 l p =  est la longueur d’onde utilisée, R le rayon de cœur de la fibre optique et ON l’ouverture numérique de la fibre. FIN DES NOTIONS ELEMENTAIRES Si V<2,405 alors la fibre est MONOMODE Si V>2,405 alors la fibre est MULTIMODE

Multimode à saut d'indice Multimode à gradient d'indice Bande passante Les valeurs typiques de bande passante pour une fibre de 1 km sont: Multimode à saut d'indice Multimode à gradient d'indice Monomode 100 MHz quelques GHz > 10 GHz

Atténuation de la fibre optique Si on injecte une puissance lumineuse P0 alors sa décroissance linéique est donnée par la relation suivante :  atténuation linéique en (dB/km) P0 x en km

Atténuation de la fibre optique Aujourd’hui  vaut typiquement 0,2dB/km, ce paramètre d’atténuation traduit l’ensemble des pertes causées par différents processus physiques (absorptions atomique ou moléculaire, diffusion,…) Typiquement en 1974 on avait =20 dB/km on a donc réussi à optimiser la transmission optique dans un rapport de 100 000

Atténuation de la fibre optique Aujourd’hui  vaut typiquement 0,2 dB/km, ce paramètre d’atténuation traduit l’ensemble des pertes causées par différents processus physiques (absorptions atomique ou moléculaire, diffusion,…). Typiquement en 1974 on avait  = 20 dB/km on a donc réussi à optimiser la transmission optique dans un rapport de 100 000. Les valeurs recommandées par la spécification G 957 de l’UIT sont :  = 1310 nm,  = 0,3 – 0,4 dB/km  = 1550 nm,  = 0,15 – 0,25 dB/km

Conclusions Systèmes à 10 Gbps sur fibres monomodes en utilisant le multiplexage temporel (TDM). Systèmes performants puisqu'ils permettent d'atteindre 100 km sans régénération du signal voire plus pour certaines fibres. Liaisons essentiellement point à point. En 1998, le déploiement de systèmes à 10 Gbps a dépassé les $750 millions pour les Etats-Unis uniquement.

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Multiplexage en longueur d'onde WDM Wavelenght Division Multiplexing (WDM) ou Multiplexage par longueur d'onde. Besoin d'augmenter la capacité des liaisons sans les remplacer matériellement. Rentabiliser l'infrastructure existante. Optimisation de l'infrastructure déjà déployée afin de véhiculer : La multitude de nouveaux services numériques Les services usuels dont le débit d’informations annexes (de qualité par exemple) augmente

WDM Les systèmes WDM / DWDM commercialisés aujourd' hui comportent 4, 8, 16, 32 voire 80 canaux optiques, ce qui permet d'atteindre des capacités de 10, 20, 40, 80 voire 200 Gb/s en prenant un débit nominal de 2,5 Gb/s et de quatre fois plus avec un débit nominal de 10 Gb/s. Ainsi, on obtient 800 Gb/s avec 80 canaux optiques à 10 Gb/s. Un des composants clés du WDM/DWDM est l'amplificateur à fibre dopée erbium (EDFA) qui permet de compenser les pertes d'insertion dues aux multiplexage/démultiplexage des longueurs d'onde.

Principe du WDM Sources LASER, chacune modulée par 1 débit + filtres optiques Lentille de focalisation Fibre optique La pastille LASER a des dimensions géométriques plus grandes que les têtes LASER monochromatiques. Les filtres optiques sont gravés sur la partie active de photoémission LASER, ils permettent par un réseau de Bragg de diffracter 1 longueur d’onde selon le pas du réseau (pour un pas de 240nm la longueur d’onde diffractée sera de 1540nm). Ainsi la longueur d’onde diffractée constitue la porteuse modulée par le débit d’information. On parle de DWDM lorsque le multiplexage en longueurs d’onde devient Dense. On multiplexe ainsi 6 porteuses optiques modulées, d’où l’appellation WDM-6 Débit total transmis = 6  Débit nominal

Fenêtre utilisée Le peigne des longueurs d'onde normalisé par l'UIT-T pour le système WDM se trouve entre 1530 et 1565 nm, soit une fenêtre spectrale de 35 nm. On partage cette fenêtre spectrale afin de pouvoir utiliser 16 ou 40 longueurs d'onde. On obtient un peigne. C'est la recommandation G 692 (interfaces optiques pour système multi-canaux) qui normalise l'espacement en nm entre deux longueurs d'onde permises dans la fenêtre : 1,6 nm ou 200 GHz 0,8 nm ou 100 GHZ

Recommandation pour le DWDM DWDM ou Dense WDM. Dans ce cas l'écart entre deux longueurs d'ondes voisines est plus petit ( < 100 GHz ): 0,4 nm ou 50 GHz 0,2 nm ou 25 GHz Les systèmes d'aujourd'hui comportent 4, 8, 16, 32 voire 80 canaux optiques donc des capacités de 10 à 200 Gbps si on prend un débit de canal de 2,5 Gbps.

Conclusions Exemple de liaison optique WDM : Liaison « Southern-Cross » reliant l’Australie et les Etats-Unis par un système WDM-16 sur 4 paires de fibres optiques Soit le Débit nominal de 2,5Gb/s alors le débit par fibre optique est de 10Gb/s et le débit total de la liaison est de 160Gb/s Pour augmenter les capacités du WDM : Augmenter le débit binaire nominal (domaine de l’électronique, photoémetteurs) Diminuer l’espacement spectral du peigne afin d’augmenter le nombre de porteuses optiques (il est de 0,8 nm pour 40 porteuses) Elargir la fenêtre spectrale aux longueurs d’onde supérieures à 1560nm

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Décalages axiaux Défauts de surface Pertes d'épissures Décalages axiaux Défauts de surface

a Epissures Electrodes Support fixe Support mobile Paramètres : z x y Electrodes Support fixe Support mobile Paramètres : Position initiale, distance entre les deux fibres Arc électrique : intensité et durée

Fibre Connecteur vissé a Connecteurs optiques Fibre Connecteur vissé

connecteur FC connecteur SC Connecteurs optiques connecteur FC Pertes insertion < 0,2 dB typ < 0,3 dB max ROS en PC < -30 dB en Super PC < -40 dB en Ultra PC < -50 dB ROS=Puissance réfléchie/Puissance incidente connecteur SC

Composants électroluminescents Diode électroluminescente ( DEL ) Jonction PN dans laquelle on injecte des électrons. Ces électrons excitent les molécules qui reviennent spontanément au repos en libérant des photons. La longueur d'onde de ces photons dépend du matériau utilisé dans la jonction : Pour le gallium L = 1,3 µm Pour l'indium L = 1,55 µm L Light E Emitting D Diode

Composants électroluminescents Diode à effet LASER Même principe que la DEL, mais la jonction est enfermée entre des couches de confinement et les faces du composant sont clivées de telle sorte qu'un électron, sur son parcours, libère plusieurs photons. L Light A Amplification by S Stimuated E Emission of R Radiation PmW opt 0,1 1 DEL DL Seuil LASER

Composants électroluminescents Caractéristiques Composants électroluminescents DEL DL Puissance Puissance dans la fibre Largeur du spectre Rapidité de modulation Durée de vie Refroidissement Non Oui 0,1 mW 1 mW 0,01 mW 0,5 mW 50 à 200nm 1 nm 100 MHz 10 GHz 100 ans 10 ans 04-96