Télécommunications optiques Cours Optique 21/12/05 Télécommunications optiques Yves MOREAU, Université Montpellier II Cours L3 Assur WDM, Baets, univ.Gent

Plan du cours Les télécommunications par fibres optiques I-Fibres et guides optiques II- Les sources III- les photodétecteurs IV-amplification optique IV-Fonctions optiques (coupleurs, isolateurs, filtres passifs, multiplexage, modulateurs externes ...) V-Signaux et systèmes de transmission sur fibre optique (codages, modulations, non linéarités, WDM, FDM...) VI- techniques de transmission dans les réseaux de télécommunications (hiérarchie numérique, câbles ous-marins, réseau terrestre, transmissions locales, distribution)

Cours Optique 21/12/05 L’optique pour les télécommunications Très faible atténuation (0 .1 dB/ km), Très large bande passante (25 THz) Faible poids, très petite taille Sécurité électrique : isolation totale entre terminaux, utilisation en ambiance explosive… insensible et non générateur de parasites, Inviolabilité Avantage économique : inférieur au système de cuivre, progrès au niveau des raccordements.

Avant-hier ! Cours Optique 21/12/05 La communication optique, voire le multiplexage en longueur d’onde (WDM) sont de vieilles idées ! Rê Horaky (le Soleil à midi) transmet un faisceau lumineux multicolore à Tapéret (800-900 B.C.) Le Louvre, Paris

Le renouveau de l’optique : deux inventions Cours Optique 21/12/05 Le renouveau de l’optique : deux inventions Source de lumière cohérente: le laser (Schawlow,1957) Laser CO² à 10,6µm absorbé, volumineux Laser AlGaAs (1969)

Cohérence Cours Optique 21/12/05 La lumière est constituée d’une suite de trains d’ondes Plus les trains sont longs, plus la lumière est dite cohérente  Lc = ²/(  Cette cohérence est dite « temporelle » Cohérence spatiale : source = ensemble de points en phase => faible divergence Nota :  = c/(1.5 µm<->2 1014Hz) d = -cd/² (10 GHz <-> 0,8 nm)

Autre avancée : la fibre optique Cours Optique 21/12/05 Autre avancée : la fibre optique 1970: fibre de silice < 20 dB/km Aujourd’hui, 0.15 dB/km seulement de pertes à 1,55 µm

Domaines d’utilisation Cours Optique 21/12/05 Domaines d’utilisation Télécommunications : Liaisons urbaines et interurbaines (grande capacité), liaisons sous- marines Vidéocommunications Liaison et réseaux de données Liaisons industrielles Capteurs et instrumentation

Télécommunications : produit débit x distance (Gbits/s*km) 105 Amplificateurs à fibres dopées erbium 104 Aujourd’hui : qq Terabits sur tronçons de 100 km 103 Lasers unimodaux 1.55 µm 102 Laser 1.3 µm et fibres unimodales 101 Laser 0.8 µm et fibres multimodes 100 1974 1978 1982 1986 1990 1994

Fibres et guides optiques Fibre circulaire Guide enterré Guide en arête Guide diffusé Guide plan

Propagation optique Cours Optique 21/12/05 Propagation (espace) z Vibration (temps)  localement courbure (dérivée seconde) maximale Pour une onde plane Ex = Eo*exp(j(ωt -kz)) Nombre d’onde k= 2/ Vitesse de phase v= k

Indice de réfraction Cours Optique 21/12/05 Onde électromagnétique : E et H Rapport E/H = Impédance Z Vide : Zo=Eo/Ho=377  k= ß= ko*n=2/o *n, Z=Zo/n Raccourcissement de la période avec l’indice, diminution de la vitesse de phase V=/k E(x,y)*cos(t-z)= E(x,y)*cos((t+t)-(z+z)) si z = / t Si milieu hétérogène, l’onde propagée est associée à un indice « effectif » de valeur intermédiaire

Mécanismes de guidage coeur La lumière est piégée dans la zone d’indice un peu plus élevé nc²-ng² nc-ng Paramètre de guidage : D = = ng 2 ng² Guidage « fort » d’autant plus que D est grand Fréquence normalisée : V = 2p a/l nsub 2 D a = rayon du cœur (fibre), épaisseur (guide rectangulaire)

Propagation dans un guide Cours Optique 21/12/05 Propagation dans un guide Dans un guide, plusieurs milieux Approche géométrique Modes associés à l’angle d’incidence B A T C Réflexion totale aux interfaces, en fait au voisinage (« Gooth Hanchen ») Rayons en phase après une double réflexion Indice « effectif » = ng*cos(m), m ordre du « mode »

Fibre optique: ouverture numérique Cours Optique 21/12/05 Fibre optique: ouverture numérique i2 i1  A n1. cos c = n1.sin i1= n2 sin i2 (et i1 complémentaire) et pour i2 limite (= 90°) n1 cos c =n2=n1 (1-c²2) n1² – n1² sin²c = n² => n1 sin c = (n1-n2+n2)² - n2² =ON=sinA= n1 sin c = n1 2 (n1-n2)/n2

Fibre multimode à gradient d’indice Cours Optique 21/12/05 Fibre multimode à gradient d’indice n(r)= n1 a 1 – 2 (r/a)² Ouverture numérique plus faible (ON ~0,2) => 2 fois moins de puissance couplée

Fibres optiques : modes Cours Optique 21/12/05 Fibres optiques : modes Fibre optique : guide circulaire. Calcul en coordonnées cylindriques (r,,z) E (Laplacien(E))= µoon² ²E /  t² E(r) solutions en fonctions de Bessel Jν Odre azimutal ν : déphasage de 2ν sur un tour ν = 0 => modes TEom ou TMom, sinon modes hybrides HEνm HMνm Nombre de modes : V²/2 (saut d’indice) et V²/4 (gradient) avec V=2r/o n1²-n2²

Quelques modes dans les fibres Cours Optique 21/12/05 Quelques modes dans les fibres ) , ( 2 12   r x y impair 21 LP pair ) , ( 2 01   r LP LP 01 01 ) , ( 2 02   r ) , ( 2 02   r LP LP 02 02 Champ électromagnétique en m et q LPmn où m => cos(mq) et n=nb d’extrema en r

Dispersion fibres multimodes Cours Optique 21/12/05 Dispersion fibres multimodes BP = 1 / (2 im)  = im² + c² ~ ON²/2n1c BP*km = qq MHz.km (saut d’indice), qq centaines MHz.km

Vitesse de groupe Cours Optique 21/12/05 Vitesse de propagation de l’information (de l’enveloppe) Vg=d/d [Vf=w/b]

Fibre unimodale Cours Optique 21/12/05 V < 2,4 Faibles dimensions 2 wo V < 2,4 Faibles dimensions => Peu de dispersion, dispersion chromatique seulement.

Dispersion chromatique Cours Optique 21/12/05 Dispersion chromatique c = Dc L λ avec Dc = DM + DG en ps/nm/km DG= (n1 – n2)/c . 2/V² pour 1.7< V < 2.4 -o d²n1 DM= c do² Dc (ps/nm/km) Dispersion matériau Fibre standard Fibre à dispersion décalée 1,2 1,4 λ

Atténuation des fibres optiques Cours Optique 21/12/05 Atténuation des fibres optiques P(L) = Po 10-L/10

Cours Optique 21/12/05 instrumentation infra-rouge télécom longue distance Télécom moyenne distance, réseaux informatiques transmission courte distance transport d'énergie éclairage, visualisation, transmission courte Applications très délicate Gradient d’indice relativement facile délicate très facile Mise en œuvre très cher assez élevé assez faible moyen faible Coût des systèmes fragile bonne si protégée limitée souple mais déformable résistance mécanique 500 50 20 10 Bande passante (MHz km) 0.2 0.3 0.4 0.5 Ouverture numérique 0.7-2 0.2 à 1.55 0.8-1.6 0.7-1 0,45-0,70 λ utilisés (µm) 1 à 2.5µm, théor. < 0,01 0.5 à 1.3 3 à 0,85 0,9 à 1.3 µm 2-5 5-10 200 Attenuation (dB/km) 7-9/125 50/125 100/140 200/380 980/1000 Diamètre cœur/gaine (µm) Verres fluorés Silice (cœur dopé Germanium)Monomode Silice (cœur dopé Germanium)Gradient d’indice Silice (cœur dopé Germanium)Saut d’indice Silice(cœur)/silicone-gaine) plastique Matériaux

Fabrication des fibres Cours Optique 21/12/05 Fabrication des fibres La synthèse des matériaux est réalisée par oxydation en phase vapeur. On obtient : de la silice : de l’oxyde de germanium : de l’oxyde de phosphore : de l’oxyde de bore : On chauffe les gaz réactifs dans un tube de silice tournant autour de son axe et, en fonction des gaz introduits dans le tube, On dépose des couches dont on peut faire varier l’indice : le germanium ou le phosphore augmentent l’indice, le bore ou le fluor le diminuent.

Pertes de courbure Pour conserver une propagation avec surfaces de phase planes perpendiculaires à l’axe de propagation, la vitesse du champ à l’extérieur devrait être plus importante, voire dépasser la vitesse de la lumière => la partie du champ extérieur ne participe pas à la propagation. Rayon diminué de a/D => pertes multipliées par e Exemple :a = 4µm, D=4.10-3 , R diminué de 1 cm => pertes x 104 Atténuation de courbure: phénomène à seuil Fibres standard : Rayon de qq cm toléré

Fabrication d’une préforme (CVD) Cours Optique 21/12/05 Fabrication d’une préforme (CVD) Réaction chimique et formation de suies. Dépôt de suies. Vitrification du dépôt. Dépot du coeur extraction réactifs gazeux chalumeau mobile 1700° 1 2 3 2000° Rétreint extraction réactifs gazeux chalumeau mobile 1700° 1 2 3 Dépot de la gaine 25 mm

Cours Optique 21/12/05 Soudeuse à fibre Perte estimée: 0.1 dB

Schéma d’une tour de fibrage Cours Optique 21/12/05 Schéma d’une tour de fibrage

Connecteurs pour fibres Cours Optique 21/12/05 Connecteurs pour fibres FC/PC E2000/APC ST SC/APC Férule Fibre nue Férule Face polie

Aux extrémités des fibres Les circuits optiques Les sources Les photodétecteurs

Cours Optique 21/12/05 « L’Optique intégrée » (Miller 1969) Le circuit optique intégré a pour but de réaliser une fonction (filtre, couplage, etc .) et non de transmettre sans perte (fibres) 1 mm Double Phasar X connect (Herben et al.,TU Delft)

Cours Optique 21/12/05 Optique intégrée : des guides de lumière La lumière est guidée dans la zone d’indice plus élevé Guide enterré (buried) : par exemple : échange d’ions sur substrat de verre, ou matériau organique polymérisé localement 10 µm nc nc Guide en relief (ridge): 5 µm

Cours Optique 21/12/05 Fabrication de guides d'ondes LiNbO3 par diffusion de Titane 1 3 4 2

Cours Optique 21/12/05 De nombreux matériaux possibles :

Cours Optique 21/12/05 Guides à largeur limitée Guide relief (ridge) Guide canal Guide enterré Modes : profils (en fonction de l’injection)

Cours Optique 21/12/05 Quelques circuits optiques de base Diviseurs coupleurs

Cours Optique 21/12/05 Exemple : interféromètre Mach Zehnder Déphasage de  = coupure (J+1/2)*/nep = J*  /nei ,J entier Beaucoup utilisé : la longueur d’un bras ou l’indice dans un bras peut varier avec la température, une tension électrique etc … => Modulateurs, capteurs

WDM à coupleurs en étoile PHASAR Coupleur en étoile de sortie Coupleur en étoile d’entrée Cercles de Rowland

WDM à coupleurs en étoile Cercles de Rowland Ordre des couleurs par longueur d’onde : Ordre des couleurs en sortie pour l’entrée centrale :

Isolateur rotateur Faraday Cours Optique 21/12/05 Isolateur rotateur Faraday Pertes importantes

Insertion/Extraction avec coupleurs Cours Optique 21/12/05 Insertion/Extraction avec coupleurs Extraction en 2, insertion en 3

Cours Optique 21/12/05 Réseaux de Bragg  n b Structure périodique avec alternances de couches (< 1µm) à fort et faible indice  n b couplage Entrée-sortie Filtre en longueur d’onde Distributeur de lumière Lentille intégrée déflecteur focalisation

(Dé)multiplexeur à réseaux Cours Optique 21/12/05 (Dé)multiplexeur à réseaux

Modulation externe avec Mach Zehnder Cours Optique 21/12/05 Modulation externe avec Mach Zehnder

Merci de votre attention! Cours Optique 21/12/05 Conclusion L’optique est une vieille science qui connaît son renouveau en Télécoms (performances des fibres et puces optiques) en mesure (capteurs, détecteurs, analyse…) La photonique est dans le sillon des nanotechnologies L’optique propose des solutions? Reste à trouver les problèmes ! Merci de votre attention! Photonic crystal laser, Y-H Lee et al, Science 305, 1444(2004) www.cem2.univ-montp2.fr/~moreau/