Télécommunications optiques Fibres Optiques Michel Aubès CPAT - Université Paul Sabatier aubes@cpat.ups-tlse.fr

Fibres optiques Plan du cours Introduction Théorie des fibres optiques Caractéristiques des fibres optiques Technologie des fibres optiques

Fibres optiques Introduction Système de télécommunications optiques Présentation des fibres optiques  Intérêt  Caractéristiques  Types de fibres

Introduction Télécommunications optiques (1) un système d ’avenir vieux comme le monde !! Message codé Transmission à vue Détecteur : oeil Source de lumière : feu, soleil

Introduction Télécommunications optiques (2) SYSTEME DE TELECOMMUNICATIONS Canal de transmission Emission Réception signal signal parole, image…. signal électrique modulation, codage multiplexage démultiplexage détection signal électrique parole, image...

Introduction Télécommunications optiques (3) Canaux de transmission  Espace libre Faisceaux hertziens (≈250 MHz à 22 GHz) Liaisons satellites (6/4GHz(C),14/11GHz(Ku), 30/20GHz(Ka)  Guides d ’ondes métalliques Lignes TEM (du Mhz au GHz)  Espace libre en optique (≈3.1014 Hz soit 300 TéraHertz)  Guides d ’ondes diélectriques (fibres optiques) (≈3.1014 Hz soit 300 TéraHertz)

Domaines de fréquence des ondes électromagnétiques (P-G. FONTOLLIET, Systèmes de télécommunications, Ecole Polytechnique de Lausanne)

Introduction Télécommunications optiques (4) Intérêt du domaine optique Transmission en bande de base ou modulation d ’une porteuse Plus la fréquence est élevée, plus on peut envoyer de signaux différents sur le même canal Encombrement des différents signaux : Son (téléphone) 3 KHz Son (Hi Fi) 20 KHz Vidéo 6 MHz

Introduction Télécommunications optiques (5) Transmission en espace libre (FSO) dans le domaine optique Pertes importantes dues à √ l ’étalement du faisceau √ l ’absorption et la diffusion par l ’atmosphère Les conditions de propagation dépendent fortement des conditions atmosphériques.  La transmission optique en espace libre est une solution peu coûteuse qui est réservée à des liaisons particulières à courte distance.  Pour des liaisons longue distance, on choisit la solution de la transmission en optique guidée.

Atténuation linéique dans l ’atmosphère (P-G Atténuation linéique dans l ’atmosphère (P-G. FONTOLLIET, Systèmes de télécommunications, Ecole Polytechnique de Lausanne)

Introduction Présentation des fibres optiques(1) Guide d’ondes diélectriques : Guidage des ondes électromagnétiques à l’interface de deux diélectriques Guide cylindrique « fibre optique » Guide planaire gaine (cladding) cœur (core) rayon a rayon b gaine coeur gaine L’onde électromagnétique se propage dans le cœur (optique car faible absorption dans le domaine optique)

Présentation des fibres optiques(2) Intérêt des fibres optiques Largeur de bande utile très importante Capacité de transmission (potentiellement 100 Tbits/s) Affaiblissement faible (0,2 dB/km)  Distance entre régénérateurs importante (100 km) Isolement électrique Insensibilité aux perturbations électromagnétiques Bonne adaptation aux techniques de transmission numérique Encombrement, poids, flexibilité mécanique

Présentation des fibres optiques(3) Caractéristiques des fibres optiques Ouverture numérique : indice n0 qL ON (NA) = n0sinqL ex : ON = 0,2  qL=12°

Quelle longueur pour une transmission de 10% ? Présentation des fibres optiques(4) Caractéristiques des fibres optiques Atténuation (linéique) a en dB/km a dépend de l ’absorption par des impuretés et de la diffusion : les progrès dans l ’élaboration des matériaux ont permis le développement de la fibre optique pour les télécommunications. On parle parfois d ’atténuation intrinsèque. Quelle longueur pour une transmission de 10% ? 1968 L=10m 1975 L=500m 1990 L=50km L F0=100 F = 10

Présentation des fibres optiques(5) Caractéristiques des fibres optiques Atténuation (linéique) a en dB/km

Présentation des fibres optiques(6) Caractéristiques des fibres optiques (P-G. FONTOLLIET, Systèmes de télécommunications, Ecole Polytechnique de Lausanne)

Présentation des fibres optiques(7) Caractéristiques des fibres optiques Dispersion  Débit numérique et bande passante d ’une fibre Dispersion : la vitesse de propagation dépend de la fréquence. La relation b(w) n ’est pas représentée par une droite passant par l ’origine (b est la constante de propagation - déphasage par unité de longueur ). w b w=b.c vide, milieu non dispersif diélectrique non dispersif propagation avec dispersion (dans un guide d ’ondes métallique par exemple) w=b.v

Présentation des fibres optiques(8) Caractéristiques des fibres optiques Vitesse de phase, vitesse de groupe, dispersion de vitesse de groupe Vitesse de phase Vitesse de groupe Dispersion de vitesse de groupe, si vg dépend de w pente vf pente  vg w b

Présentation des fibres optiques(9) Caractéristiques des fibres optiques Conséquences de la dispersion Réponse impulsionnelle : élargissement des impulsions st Fibre t t Limitation du débit numérique

Présentation des fibres optiques(10) Caractéristiques des fibres optiques Conséquences de la dispersion Réponse fréquentielle : atténuation aux hautes fréquences Fe F DFe t DFr Fr Fibre Atténuation intrinséque Atténuation modulation`

Présentation des fibres optiques(11) Caractéristiques des fibres optiques Transmission Réponse Fréquentielle : atténuation intrinséque Dispersion -3 dB sf f Limitation de la bande passante Pour un profil gaussien :

Présentation des fibres optiques(12) Caractéristiques des fibres optiques

Introduction Types de fibres optiques (1) Fibres en silice (SiO4) Fibres performantes Inconvénients : coût, fragilité, rayon de courbure n(r) r  Fibres multimodes à saut d ’indice r n(r)  Fibres multimodes à gradient d ’indice Fibres 50/125/250, 62,5/125/250, 100/140/250 (Diamètre cœur/diamètre gaine/diamètre extérieur en mm)

Introduction Types de fibres optiques (2)  Fibres monomodes Fibres monomodes particulières (Fibres à dispersion décalée (DSP)) Fibres verre/plastique PCS (Plastic Clad Silica) Fibres plastique 1 à 2 mm de diamètre Bon marché, forte atténuation

Introduction Système de télécommunications à fibres optiques (B.E.A. SALEH, M.C. TEICH, Fundamentals of photonics, Wiley) Ce que l ’on va étudier : (Z. TEFFANO, Optoélectronique Ellipses)