Département d’Optique Théorique et Appliquée Les Ondes Optiques Riad Haïdar ONERA Département d’Optique Théorique et Appliquée

The ElectroMagnetic Spectrum RADIO FREQUENCIES OPTICAL FREQUENCIES l = 100 mm f = 3 GHz l = 1 mm f = 300 GHz Propagation : optical fibers MICRO WAVES

Fiber propagation n1 > n2 n2

Reflection & Refraction n2<n1 n1 1 1 2 2 Snell’s law n2<n1 n1 1= c c Critical angle n2<n1 n1 1 >c Total internal reflection

Remarque Un fil de verre seul peut aussi conduire la lumière... >> MAIS il n'y a pas confinement au voisinage du centre. >> Ce sera une fibre multimode. >> Le milieu extérieur peut influencer la propagation. Pour les communications sur de longues distances, onutilise une fibre monomode pour minimiser les problèmes de dispersion.

Fiber performance z=0 z=L Attenuation z=0 z=L Dispersion

Optical attenuation in glass 1960 Attenuation (dB/km) 1 10 100 1000 0.1 1970 1980 1990 2000 20 dB/km (Corning) 0.16 dB/km CVD (Chemical Vapor Deposition)

Fiber attenuation (SiO2) 1.8 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 Wavelength (mm) Attenuation (dB/km) 0.2 0.5 Rayleigh scattering IR band edge OH-- peak UV absorption 0.7 0.6 0.16 dB/km

Other Fiber losses (1) Épissure : fusion bout à bout de deux fibres. >> Pertes typiques de 0,05 dB sur les fibres standard télécoms. Détection de lumière Light detection Micro Positioning electric arc Light insertion Détection de lumière Micro Positioning Light detection

Other Fiber losses (1) longitudinal D radial d angular q cores ellipticity cores misaligning angular q

Other Fiber losses (2) Courbures : >> Il y a modification des conditions de réflexion : un rayon totalement réfléchi dans un guide droit, peut s'échapper par réfraction lorsque le guide est courbé. >> Les fibres monomodes tolèrent un rayon de courbure de l'ordre de 10 cm sans perte notable >> les pertes croissent exponentiellement avec la courbure.

Théorie du Guidage Deux approches sont possibles : la théorie géométrique : (optique des rayons), valable pour des cœurs de dimensions beaucoup plus grandes que la longueur d'onde. la théorie ondulatoire : elle utilise les équations de Maxwell avec les conditions aux limites. Elle conduit à la notion de mode, valable pour toute dimension de coeur. Pour des diamètres beaucoup plus grands que la longueur d'onde les deux théories se rejoignent.

Théorie du Guidage Les rayons se divisent en deux types : Les rayons hélicoïdaux, qui ne coupent jamais l’axe Les rayons méridionaux A chaque inclinaison qm correspond un groupe de rayons >> on parle de « mode ». Chaque mode est caractérisé par sa vitesse de phase VP liée à l'angle qm par : >> Il y a autant d'inclinaisons que de modes.

Modes & Rays waveguide d 2 1 0 m=0 m=2 m=1

Mode intensity profiles Optical modes: 1 2 d a Planar: Single-mode if V   Fiber: Single-mode if V  2.405 V number >> determines how many modes a fiber supports

Number of modes Number of modes in step-index fiber if V > 2.405 Optical power in the cladding (gaine optique) 2. Propagation of light in fibers 2.2. Wave Propagation Model The number of modes (including all degenerate modes) is given by the expressions shown here, which are approximately valid for a large number of modes. It is very interesting to see that this number of modes can be written as twice the solid angle x area product divided by wavelength square (this ratio is one for a diffraction limited source). This also implies that the radiance of the light emitted from a fiber end is inversely proportional to the number of modes for given intensity. In a multimode fiber with a typical core diameter of 50µm and Dn of 0.01 the number of modes is of the order of 500. The entire modal discussion so far was focused on the Step Index case. In the GI-case everything is conceptually similar (but quantitatively different) In the parabolic graded index fiber (a-profile with a=2) the number of modes is smaller than for step index fiber for the same refractive index contrast. In a single mode fiber the number of modes is 2 (2 degenerate modes). Light emitted from a single mode fiber is in very good approximation a diffraction limited source. for large values of V

Numerical Aperture Multimode fiber Critical angle: 0 c Maximum entrance angle: Numerical aperture:

Numerical Aperture

Dispersion Les différentes composantes du signal se propagent selon des temps différents dans la fibre optique. Deux causes essentielles : – Différence de trajet (dispersion modale) – Différence de vitesse (dispersion chromatique)

Dispersion (intermodal) c t

Dispersion (chromatic) Deux longueurs d’onde l1 et l2 voyagent à des vitesses différentes L n1 n2 t Bonne nouvelle : La dispersion s'annule vers 1300nm.

Dispersion in numbers

Multi gradient d’indice Dispersion and frequency Attenuation (dB/km) 100 Monomode Multi gradient d’indice Multi saut d’indice Coaxial 10 1 1000 freq (MHz)

Dispersion (chromatic) Les Solutions : – Emploi de source monochromatique. – Fibre à dispersion décalée : décaler le zéro de dispersion vers 1550nm (car atténuation min à 1550nm) aplatir la dispersion dans le domaine 1300 -1550 nm. Pour cela, on doit réaliser des profils d’indice spéciaux à cœur segmenté (de type W par exemple) ou/et triangulaire. >> Une transmission sur 100 km sans répéteur est alors réalisable.

(Bits / s) = (Hz) * (Bits / s / Hz) Dispersion (enjeux) Débit = BP * Efficacité (Bits / s) = (Hz) * (Bits / s / Hz) 1 – BP disponible autour de 1550nm : ~ 15 THz 2 – Meilleure isolation en l => Meilleure Efficacité Aujourd’hui : 0,2 Bits/s/Hz D’ici 24 mois : 0,5 Bits/s/Hz Radio : 10 Bits/s/Hz Objectif à long terme : 150 Tbits/s 15 THz 10 Bits/s/Hz B.P. Efficacité 150 Tbits/s

Fiber types SM Single-Mode MM-SI Multi-Mode Step Index MM-GI Graded Index refractive index

Fiber classification (1) MM-SI: Multi Mode - Step Index fiber Core diameter (coeur) 50 - 400 m Cladding (gaine) 125 (500) m 2nd coating (2nde gaine) 250 - 1000 m NA (ouverture numérique) 0.16 - 0.5 Attenuation 1 - 4 dB/km Bandwidth 6 - 25 MHz.km Application Short distance, low cost limited bandwidth

Fiber classification (2) MM-GI: Multi Mode - Graded Index fiber Core diameter 50 m standard Cladding 125 m 2nd coating 200-1000 m NA 0.2 - 0.3 Attenuation 1 dB/km (1300 nm) Bandwidth 150 MHz.km - 2 GHz.km Application Medium distance communication LED/Laser sources

Fiber classification (3) SM-SI: Single Mode - Step Index fiber Core diameter 3-10 m Cladding 50-125 m 2nd coating 200-1000 m NA ~0.1 (not used) Attenuation 0.20@1550nm - 0.4@1300nm dB/km Bandwidth >> 500 MHz.km Application Long distance communication Lasers, standard fiber

Today Fibers G.652 : fibre monomode standard (SMF) Dispersion 17ps/nm/km à 1550nm >> Faible débit G.653 : fibre à dispersion décalée (Shifted Dispersion Fibre) Dispersion = 0 à 1550nm mais sensible aux effets non linéaires >> Débits élevés (> 10Gbits/s) >> Pas WDM G.655 : l ’avenir ! Compromis entre G.652 et G.653 Dispersion = 8ps/nm/km à 1550nm et insensible aux effets non linéaires >> WDM (120 canaux démontrés en 2000)

Dispersion (ps/nm/km) Today Fibers Dispersion (ps/nm/km) G.652 +20 1430 G.655 G.653 SMF -20 SDF wavelength (nm) 1300 1550

Silica fibers – preform fabrication Gases in O2, He SiCl4 GeCl4 BBr3 POCl3 Silica tube Heating ring furnace Gases out Deposit Diameter control Polymer coating solution 1. Types of fiber and fabrication technology There are a variety of methods to produce Silica fiber. One can start from liquid materials or from gaseous materials. An important further distinction has to be made between continuous production and preform production. In the first case the fiber is directly made out of the starting materials. More important nowadays is the preform method in which a thick (e.g. 2cm diameter and 50 cm length) cylindrical rod is first made, being a longitudinally compressed version of the fiber to be made. A pulling machine then converts the rod into a fiber which can be tens of km long (for a single rod). The most widely used method to make the preform is the so-called Modified Chemical Vapour Deposition (MCVD) technique In the MCVD technique one starts form a cylindrical Silica tube, which is mounted in a rotatable frame. The source gases are passed through the tube. At the same time an annular heating ring (generally a gas torch) heats part of the tube and moves slowly back and forth. A deposit will then form at the inner side of the tube by thermal oxidation. By controlling the gas flows an arbitrary index profile can be obtained. At the end of the process the tube is collapsed into a rod by passing once more the heating ring at very high temperature along the tube. The next step is to mount the preform in a pulling tower. There the preform is heated again to deform the preform into a (more than 100 times) thinner fiber. This is done with extreme precision. In the same machine a primary polymer coating is applied to protect the silica surface against microcracks and then the fiber is wound on a reel. Polymer curing Modified chemical vapor deposition for preform fabrication Take-up reel Pulling drive Pulling machine

Fiber materials Silica glass fiber Polymer optical fiber (POF) starting material: pure silica (SiO2) in the form of fused quartz (amorphous) modification of refractive index by addition of impurities lowering refractive index : B2O3, F raising refractive index : P2O5, GeO2 Polymer optical fiber (POF) large core (multimode) large refractive index difference between core and cladding easy handling relatively high losses 1. Types of fiber and fabrication technology The most important optical fiber is based on amorphous Silica (a type of glass) which has a refractive index around 1.5. In order to produce an index difference between core and cladding, impurities are added to the material during fabrication. B2O3 and F are used for the cladding and P2O5 and GeO2 are used for the core. Silica fibers are not the only type of glass fibers. Some other glass types are also used, in particular fluoride fibers (with Fluor-bonds rather than Oxygen-bonds). They hold the promise of extremely low losses but are presently mainly important for fiber amplifiers. The most important fluoride material is “ZBLAN” (ZrF4 - BaF2 - LaF3 - AlF3 - NaF). In applications of very short distances fibers made of polymer can be used (Polymer Optical Fiber or POF) . They are cheap and can be handled more easily than silica fibers, when it comes to preparing a high quality fiber end. They often have a core diameter close to the cladding diameter (cladding is very thin) and are therefore always multimode. The cladding diameter is often larger than for Silica fiber and ranges from 125mm to a few millimeters. The refractive index difference between core and cladding is generally higher than in Silica fibers. The losses are much higher than in Silica fiber.

Advantages of Optical communication Huge bandwidth Low loss Low cost per bit Small and light Electrical isolation No EMI (Lightning, interference) Security (no tapping) Reliability

Miroirs semi-réfléchissants Light Sources Les Sources Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Laser à fibre dopée à l’Erbium Laser à semi-conducteur 1 - les plus utilisés pour intégration (qques µm) 2 - deux types Distributed FeedBack (DFB), incluant la zone de gain Distributed Bragg Reflector (DBR), ne l’incluant pas + – p n Miroirs semi-réfléchissants Lumière cohérente

Caractéristiques des lasers utilisés dans les télécoms Light Sources Les Sources Accordables Caractéristiques des lasers utilisés dans les télécoms

Light Modulation P (t) l (t) La modulation interne modulation i(t) LASER P (t) l (t) i(t) modulation f < 1Gbits/s (1 GHz) : OK Entre 1 GHz et 10 GHz : - La diode n’a plus le temps de laser - Phénomène de « CHIRP » : l se met à fluctuer >> CHIRP + dispersion des fibres : Pb !

Light Modulation P0 l0 P(t) l 0 La modulation externe modulateur LASER La diode émet en continu, on place un obturateur en sortie Limite électronique : 10 Gbits/s

Light Modulation Que module-t-on ? – Modulation du champ rayonné Modulation en amplitude(ASK), fréquence (FSK) ou phase (PSK) Source nécessairement cohérente : laser Fibre monomode indispensable – Modulation d’intensité Seule la puissance rayonnée est modulée. Nul besoin d’une source cohérente Toutes les fibres conviennent

Limite due à la dispersion. Exemples à 1 Gbit/s Fibre multimode saut d’indice : L = 10 m Fibre multimode gradient d’indice : L = 1 km Fibre monomode : DEL 1,5µm L = 500 m DFB 1,5µm + modulation directe L = 250 km DFB 1,5µm + modulation externe L = 2500 km Limite due à la dispersion.

Electronic Multiplexing Les réseaux optiques « classiques » sont bridés en débit : Fibre optique l 2 Gbits/s Multiplexeur/démultiplexeur électronique Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur)

Wavelength Division Multiplexing WDM La solution : on combine Mux/Demux électronique et optique Fibre optique S l n x l n x 2 Gbits/s Multiplexeur/démultiplexeur électronique Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur) Demux/Mux optique

Wavelength Division Multiplexing WDM Aujourd’hui Historiquement, le WDM consistait à discriminer les voies montantes (1,5µm) et descendantes (1,3µm) Progrès : – 2000 : Mux WDM à 80 longueurs d ’onde à 2Gbits/s (160Gbits/s!) – 2001 : Mux WDM à 200 longueurs d ’onde à 2Gbits/s (500Gbits/s!) Espacement inter-canaux : dl ~ 50GHz (0,4nm) autour de 1550nm

Amplificateurs Optiques EDFA (erbium doped fiber amplifier) Puissance fréquence l1 l2 l3 Puissance fréquence l1 l2 l3 Fibre dopée à l ’erbium Diode laser Courant de pompage Lentille de couplage Signal Signal amplifié + bruit

EDFA (erbium doped fiber amplifier) Pompage indirect l = 0,98 µm Pompage direct l = 1,48 µm Énergie Émission stimulée à l0 État excité État instable État d’équilibre

EDFA (erbium doped fiber amplifier) courbe de gain 0,4 0,18 5 THz 25 THz Atténuation (dB/km) Longueur d’onde (nm) 1430 1550 1300 Amplification 3 THz

EDFA (erbium doped fiber amplifier) L’EDFA convient à tous types de modulation : – amplitude ASK : tout photon incident induit un photon stimulé – fréquence FSK et phase PSK Gain jusqu’à 40dB dans une bande de 3 THz ([1,53 - 1,56µm]) Utilisation de canaux autour de 1,5µm si espacés de 100GHz Bruit large spectre dû à l’émission spontanée >> filtrable Temps de réponse : 10ms

Amplificateur à semi-conducteur SCOA Conversion électro-optique Puissance fréquence l Puissance fréquence l Courant de pompage Diode laser Lentille de focalisation + traitement anti-reflet

Amplificateurs Optiques PDFFA : praseodynium doped fluroide fiber amplifier

A note on dB and dBm dB dBm optical signals: electrical signals: absolute power value (with 1 mW as reference) power level in dBm:  electrical dB = 2 x optical dB 2. Propagation of light in fibers 2.4. Attenuation The concept of working with dB’s is often a cause for confusion. An optical power ratio (e.g. ratio between output and input power, or, ratio between powers in two systems) expressed in dB means that one takes 10 log of the ratio. For example : “an optical fibre has 6 dB loss” means : Pout/Pin = 0.25 (formally one should say : “the fibre has - 6dB transmission”). A similar definition is used for electrical signals. Depending on whether one works with ratios of voltages or currents on one hand or with ratios of electrical power on the other, one has to work with either 20 log or 10 log (to get the same number in dB). A problem arises when an optical signal is converted into an electrical signal (or vice versa). For most types of conversion devices (photodiodes, laser diodes), this conversion is a linear conversion between optical power and electrical current. Therefore, when comparing two signals, the optical power ratio in dB(opt) will translate into an electrical power ratio in dB(el) which is twice the dB(opt)-value. To express absolute power levels, one uses dBm. This is the power ratio (in dB) as compared to 1 mW. Hence a power level of 1 mW = 0 dBm, 10 mW = 10 dBm, 100 mW = 20 dBm etc. Try to remember the following (approximate) conversion between dB and power ratio. 0 dB = 1 +1 dB = +25% ; -1 dB = -20% +3 dB = +100% (or x2) ; -3 dB = -50% (or :2) +6 dB = x4 ; -6 dB = :4 +10 dB = x10 ; -10 dB = :10 +20 dB = x100 ; -20 dB = :100

FIN