UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010 Des lasers et des fibres : des outils pour communiquer et pour l’optique non-linéaire de la Physique 2005 Année Mondiale de la Physique 2005 Année Mondiale Christophe FINOT UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010 Bonjour, Alors, je vais prendre une quinzaine de minutes pour vous présenter un peu le laboratoire que vous allez visiter et les raisons pour lesquelles l’année 2005 a été retenue pour être l’année de la physique. Institut Carnot de Bourgogne

Plan 6 Octobre 2009 Charles KAO

Laser et Fibre Moyen de communiquer vite et loin Moyen de manipuler la lumière via l’optique non-linéaire

Communiquer avec la lumière Annoux (Yonne) Forêt de Reppe phare d'Alexandrie signaux de fumée télégraphe chappe Communiquer avec la lumière

Les éléments des communications milieu de propagation récepteur code émetteur Les éléments des communications

Les éléments des communications milieu de propagation récepteur code émetteur Les éléments des communications

Le code Le code utilisé : le langage binaire ‘le codage informatique’ émetteur milieu de propagation récepteur code Le code utilisé : le langage binaire ‘le codage informatique’ Le message à transmettre (texte, image, son, vidéo) est décomposé en une succession de 0 et de 1 . 0100101101101010010110110001110010101110110010010110110101001011011000111001010111011010001101101001001110101011001110101101101001010100101101110101110111001110010110110101001011011000111001010111011010001101101001001110101011000011101010110011101011011010010101001011011101011101110011 … Le code

Le code Le code utilisé : le langage binaire émetteur milieu de propagation récepteur code Le code utilisé : le langage binaire Le message à transmettre (texte, image, son, vidéo) est décomposé en une succession de 0 et de 1 . 0 : absence de lumière 1 : présence de lumière, impulsion lumineuse Le code

0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 Le code Le code utilisé : le langage binaire émetteur milieu de propagation récepteur code Le code utilisé : le langage binaire 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 Le code

L’émetteur L’émetteur : une source Laser émetteur milieu de propagation récepteur code L’émetteur : une source Laser L’émetteur

Le récepteur Le récepteur : une photodiode émetteur milieu de propagation récepteur code Le récepteur : une photodiode Le récepteur

Le milieu de propagation émetteur milieu de propagation récepteur code Le milieu de propagation : L’air Les faisceaux lumineux se propagent en ligne droite Absorption éventuelle du faisceau Influence des conditions météorologiques Le milieu de propagation

Le milieu de propagation émetteur milieu de propagation récepteur code Le milieu de propagation : L’air La fibre optique Le milieu de propagation

Principe des fibres optiques Gaine Cœur Principe des fibres optiques

John Tyndall (XIXe siècle) Expérience de la Fontaine lumineuse la lumière se propage par réflexion totale interne dans le jet d'eau (l'indice de l'eau est supérieur à celui de l'air) La fontaine de Tyndall

Les premières fibres optiques 1964 : Première publication scientifique proposant l'utilisation des fibres optiques pour guider la lumière 1966 : Charles KAO propose les fibres pour les transmissions optiques sur plusieurs kilomètres Les premières fibres optiques

Les atouts de la fibre optique Faibles pertes Transmission sécurisée Débit important Les atouts de la fibre optique

Les pertes dans les fibres optiques Les fibres optiques ont des pertes très réduites Travailler à des longueurs d’ondes de l’infrarouge Année Pertes (dB/km) Longueur d'onde (nm) 1/2 de l’énergie perdue après Entreprise 1970 20 150 m Corning Glass Work 1974 2 - 3 1 060 1 km ATT, Bell Labs 1976 0,47 1 200 6 km NTT, Fujikura 1979 0,20 1 550 15 km NTT 1986 0,154 20 km Sumitomo Les pertes dans les fibres optiques

Les télécommunications nationales

Les télécommunications longues distances Début 1999 : Plus de 215 millions de kilomètres de fibre optique installés = 280 allers-retours de la Terre à la Lune. Les télécommunications longues distances

Débit x Distance (bit.km/s) x 10 tous les 4 ans x 2 tous les ans Débit x Distance (bit.km/s) Distance et débit Année

Augmentation de la distance x 10 tous les 4 ans Débit x Distance (bit.km/s) Année Augmentation de la distance Augmentation du débit Distance et débit

Le premier exemple de relais optique Système Chappe (1794-1850) 500 stations 10 km Le premier exemple de relais optique

Les amplificateurs à fibre Réamplifier à intervalles réguliers la lumière TL Transmetteur Laser Fibre R Récepteur Amplificateur Amp Amplification optique : révolution des années 1990 Les amplificateurs à fibre

Les amplificateurs à fibre La fibre optique est particulièrement adaptée pour l’amplification optique Grande longueur d’interaction Excellente dissipation thermique Compacité et stabilité Plusieurs mécanismes amplificateurs sont possibles : Amplification par fibres dopées terres-rares, erbium ou Ytterbium Effet Raman Amplification par mélange à quatre ondes Les amplificateurs à fibre

Les amplificateurs à fibre

amplificateur à fibre + cavité fibrée Des puissances considérables peuvent être obtenues Systèmes de très haute puissance (1000W de puissance moyenne !) à fibre pour les applications industrielles (usinage) amplificateur à fibre + cavité fibrée = laser à fibre Les lasers à fibre

Les amplificateurs à fibre Des puissances considérables peuvent être obtenues Systèmes de très haute puissance (1000W de puissance moyenne !) à fibre pour les applications industrielles (usinage) Les amplificateurs à fibre

Augmentation de la distance x 10 tous les 4 ans Débit x Distance (bit.km/s) Année Augmentation de la distance Augmentation du débit Distance et débit

Débit d’une transmission Débit : nombre de bits d’information qui sont transmises en une seconde Plus le débit est important, plus les impulsions sont brèves 10 GBps 25 ps x 2 x 4 40 GBps 6.25 ps Débit d’une transmission

Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM) Pour augmenter le débit, on augmente le nombre de canaux utilisés. 1 1 Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)

Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM) Jusqu’à 1 000 canaux utilisés ! Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)

Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM) Pour augmenter le débit, on augmente le nombre de canaux utilisés. Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)

Laser et Fibre Moyen de communiquer vite et loin Manipuler la lumière via l’optique non-linéaire

une note = une fréquence = une longueur d’onde = une couleur Quand on augmente la puissance envoyée dans la fibre, des effets non-linéaires apparaissent. grâce à la non-linéarité, de nouvelles longueurs d’onde sont crées lors de la propagation dans la fibre La non-linéarité

La non-linéarité Propagation à basse intensité « linéaire » Propagation à basse intensité « non-linéaire » La non-linéarité

Propagation à basse intensité « non-linéaire » Intensité (dB) Intensité (dB) Longueur d’onde (nm) Longueur d’onde (nm) Propagation à basse intensité « non-linéaire » Sources ultrabrèves

Sources ultrabrèves Applications aux sources à ultra-haut débit Intensité (dB) Intensité (dB) Longueur d’onde (nm) Longueur d’onde (nm) Applications aux sources à ultra-haut débit jusqu’à 2 THz : 2 000 000 000 000 impulsions par seconde ! Sources ultrabrèves

Temps (ps) Sources ultrabrèves Applications aux sources à ultra-haut débit jusqu’à 2 THz : 2 000 000 000 000 impulsions par seconde ! Temps (ps) Sources ultrabrèves

Les fibres de nouvelle génération Les fibres microstructurées agencement périodique de trous d'air : un grand contraste d’indice est obtenu non-linéarité extrême Les fibres de nouvelle génération

Supercontinuum optique > 1 000 nm X 1000 Supercontinuum optique

Supercontinuum optique

Supercontinuum optique Laser blanc Supercontinuum optique

Supercontinuums optiques Laser blanc Applications à la métrologie, spectroscopie Applications à la biologie ... Supercontinuums optiques

UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010 Des lasers et des fibres : des outils pour communiquer et pour l’optique non-linéaire de la Physique 2005 Année Mondiale de la Physique 2005 Année Mondiale Christophe FINOT UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010 Bonjour, Alors, je vais prendre une quinzaine de minutes pour vous présenter un peu le laboratoire que vous allez visiter et les raisons pour lesquelles l’année 2005 a été retenue pour être l’année de la physique. Lab. Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne