TECHNOLOGIES OPTO-ELECTRONIQUES Cours électif S8 2012-2013 Pierre LECOY, Professeur ECP

COURS TECHNOLOGIES OPTO-ELECTRONIQUES 15/03/13 14h - 17h15 Pierre Lecoy Introduction. Les fibres optiques, théorie Salle de cours 26/03/13 Technologie et composants pour fibres optiques 28/03/13 8h - 11h15 Composants opto-électroniques 04/04/13 Bureau d'études : systèmes de communication optiques 18/04/13 8h - 12h Visite des laboratoires Alcatel-Thalès III-V lab Palaiseau 22/04/13 Applications diverses (affichage, photovoltaïque … ) 26/04/13 Pierre Lecoy + Bruno Delacressonnière Séance labo : fibres optiques, technologie et mesures, amplification optique, analyse spectrale LISA (D205 + D240) 13/05/13 Pierre Lecoy + Walter Peretti TPs / Miniprojet en labo 17/05/13 23/05/13 03/06/13 Bruno Darracq Capteurs d'images 13/06/13 contrôle : QCM + exposés par les élèves

Cours 2 : LES FIBRES OPTIQUES Fabrication, raccordements Mesures sur les fibres Composants passifs (coupleurs, multiplexeurs … ) Composants actifs (modulateurs, commutateurs … ) Pierre LECOY

LES FIBRES OPTIQUES Fabrication Pierre LECOY

PRINCIPAUX TYPES DE FIBRES Matériau Plastique Toute silice (cœur « dopé » au GeO2) Type Multimode saut d’indice Multimode gradient d’indice Monomode standard disp. décalée Diamètres cœur / gaine (mm) 980/1000 50/125 62,5/125 9/125 7/125 Longueurs d’onde et atténuation Visible 200 dB/km 0,85 µm – 1,3 µm 3 dB/km – 0,9 dB/km 1,3 – 1,55 µm 0,5 – 0,2 dB/km 1,5 à 1,6 µm 0,22 dB/km Débits typ. et distances 10 à 100 Mb/s 100 m 100 Mb/s /5 km 1 Gb/s /1000 m 100 Mb/s 2 km 1 à 10 Gbit/s 20 à 50 km n x 10 Gbit/s milliers de km Mise en œuvre pb. particuliers Facile température Assez facile Plus délicate raccordements Coût global Faible Assez faible Plus élevé (interfaces, connecteurs) Applications principales Eclairage, visualisation, trans. données très courte distance LANs hauts débits (gigabit Ethernet) LANs tous débits LANs très hauts débits, MANs, FTTH/PON Liaisons très longues (avec amplificateurs et WDM) Pierre LECOY - Optoélectronique

FIBRES PLASTIQUE Atténuation : forte mais régulière dans le visible ? 1 a (dB/km) 5 , 4 6 7 8 l ( µ m ) Applications éclairage, visualisation .. PMMA Polystyrène Même assez haut débit (100 Mbit/s, bientôt 1 Gbit/s) ? Applications : liaisons économiques à très courte distance Pierre LECOY - Optoélectronique

FABRICATION DES FIBRES OPTIQUES DE SILICE Première étape : préforme barreau de verre homothétique à la future fibre 1 à 2 m de long, 2 à 3 cm de diamètre fabriqué par dépôt chimique (CVD) : oxydation SiCl4 + O2  SiO2 + 2Cl2 GeCl4 + O2  GeO2 + 2Cl2 Autres matériaux : Phosphore (P2O5) Diminue la température de vitrification Fluor Diminue l’indice de la gaine interne Deuxième étape : étirage Transformation en fibre : 10 à 100 km de long, 125 µm de diamètre voir : http://www.d0wn.com/comment-fabrique-t-on-des-fibres-optiques/ Pierre LECOY - Optoélectronique

PROCEDE MCVD Modified Chemical Vapor Deposition Fabrication des préformes pour fibres de silice : tube dépôt Gaz (oxygène + chlorures) vitrification Chalumeau Pierre LECOY - Optoélectronique

PROCEDE MCVD Modified Chemical Vapor Deposition vitrification Fabrication des préformes pour fibres de silice : tube Gaz (oxygène + chlorures) Chalumeau Dépôt de couches successives  profil d’indice Doc. CNET Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique PROCEDE MCVD Fabrication des préformes pour fibres de silice : Opération de rétreint : Pour augmenter la longueur de fibre : dépôt latéral ou manchonnage Chalumeau Une préforme  10 à 100 km de fibre Pierre LECOY - Optoélectronique

PROCEDE MCVD Fabrication du profil d’indice dans la préforme : n(r) Cœur à gradient d’indice SiO2 + GeO2 cœur gaine interne Fibre monomode standard externe Tube  gaine SiO2 Fibre à gaine interne déprimée Si02 + F permet tous profils d’indice Variante (plus complexe) : procédé par plasma (PCVD) Investissements plus élevés, rendements supérieurs Pierre LECOY - Optoélectronique

Banc de fabrication MCVD Doc. DRAKA Pierre LECOY - Optoélectronique

FIBRAGE Etirage de la préforme pour la transformer en fibre : Préforme Four Préforme Revêtement primaire Protection de la fibre (mécanique et chimique) Absorption des modes de gaine Doc. TELCITE Cabestan Mesure du diamètre Asservissement Enduction Polymérisation Test de résistance mécanique Pierre LECOY - Optoélectronique

CABLES A FIBRES OPTIQUES Doc. ACOME Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique CABLES SOUS MARINS Isolant polyéthylène Conducteur cuivre (téléalimentation des répéteurs) Toron de fils d'acier Fibres optiques Tube Armure externe (protection pour faibles fonds) Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique RACCORDEMENTS 3 types : connecteur épissure soudure Raccord intermédiaire Pierre LECOY - Optoélectronique

RACCORDEMENTS Pertes : par réflexion de Fresnel minimisée par polissage en biais (APC) par différence de paramètres par mauvais positionnement : excentrement désalignement écartement (cas des connecteurs sans contact) Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique CONNECTEURS OPTIQUES (trop) grande variété ! Pierre LECOY - Optoélectronique

LES FIBRES OPTIQUES Mesures Pierre LECOY

MESURES SUR LES FIBRES mesures des paramètres de la fibre : fibres multimodes : diamètres de cœur et de gaine ouverture numérique fibres monomodes : diamètre de mode longueur d'onde de coupure Faites par le fabricant de la fibre mesures des paramètres de transmission : atténuation bande passante (réponse impulsionnelle) dispersion chromatique (mesure de tg (l) ) dispersion de polarisation Faites (aussi) par l’utilisateur Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique REFLECTOMETRIE OTDR, Optical Time Domain Reflectometry coupleur optique Emetteur laser Générateur d'impulsions récepteur Mesure, traitement, affichage retour lumière Appareil connecteur Fibre ou liaison sous test diffusion Rayleigh réflexions Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique REFLECTOMETRIE Courbe de réflectométrie : Pr (dBm) = Pe (dBm) - A (dB) + S (dB) - 2 Pente = – a(z) Réflexion en bout de fibre 1/2.Pr (dBm) t = 2z/vg Pic de réflexion d'entrée Atténuation localisée Défaut réfléchissant Bruit Zone d'atténuation constante Résolution : dz = dt.vg/2 Dynamique soit 10 ns/m Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY, Professeur ECP LES COMPOSANTS Composants optiques passifs : coupleurs, multiplexeurs Pierre LECOY, Professeur ECP

COMPOSANTS DES SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES Type Technologie Optique passif actif non réciproque Opto-electronique Verres (fibres assemblées ou substrats de verre) Coupleurs Filtres Atténuateurs Multiplexeurs Commutateurs (lents) Amplificateurs à fibres ou verres dopés Cristaux de type LiNbO3 id. Modulateurs Commutateurs Isolateurs Semi-conducteurs III – V ou Silicium Modulateurs à électro-absorption Amplificateurs à semi-conducteurs Emetteurs Récepteurs Pierre LECOY - Optoélectronique

OPTIQUE INTEGREE Intérêts : Technologies : Pertes : intégration de guides optiques sur un même substrat transparent réalisation compacte et reproductible nombreuses fonctions optiques possibles Technologies : sur verres : faibles pertes, fonctions passives seulement cristaux diélectriques (LiNbO3)  fonctions optiques actives semi-conducteurs (III-V)  fonctions opto-électroniques et électroniques Pertes : par rayonnement (dans les angles et les courbes) aux accès du guide mais pertes plus importantes inévitables, pour créer des formes complexes Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Télécommunications COUPLEURS Coupleur en X Coupleur en Y demi-coupleur en X ! pertes réciproques -3dB fibres abrasées et collées, ou fusionnées par la tranche regroupement de signaux -3dB partage de la puissance en 2 parts, égales ou non (splitter)‏ Pierre LECOY - Télécommunications

Pierre LECOY - Optoélectronique COUPLEURS par assemblage de fibres en optique intégrée ATI CORNING à fibres fusionnées par la tranche Pierre LECOY - Optoélectronique

COUPLEUR EN ETOILE à fibres torsadées et fusionnées Pe Pe/n n fibres Pe/n perte : 10 log n (théorique)‏ + perte en excès Le même signal sur toutes les sorties (ex. réseau de diffusion) Utilisation : réseaux multiterminaux (LANs en étoile, FTTH/PON … ) Pierre LECOY - Télécommunications

MULTIPLEXAGE EN LONGUEUR D’ONDE Différents types : à deux voies (ou deux fenêtres) ; peu sélectif l à plusieurs voies proches : DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing CWDM, Coarse Wavelength l l Intérêts : - augmente la capacité des liaisons (même déjà installées) - permet des réseaux multiterminaux Pierre LECOY - Optoélectronique

MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE de type : à deux voies, technologie à filtres dichroïques Filtre dichroïque l1 et l2 l1, transmis l2, réfléchi Permet le multiplexage de signaux en sens identiques ou opposés en transmission en réflexion 1 Fenêtre l1 Fenêtre l2 l entre deux fenêtres de transmission (peu sélectif) Pierre LECOY - Optoélectronique

MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE A réseau de diffraction (Diffraction grating) : diffraction par une surface gravée + interférences Fonctionnement en réflexion : (existe aussi en transmission, hologrammes par exemple) Vers fibres optiques, barrette de photodiodes … o r d e 2 q2 q1 1 L L s i n qm = m l onde plane incidente Applications : (dé)multiplexeurs en l analyse spectrale Pierre LECOY - Optoélectronique

MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE de type : à deux voies, technologie à coupleur effet de couplage sélectif entre guides monomodes l 1 à n l1, l3, l5 ... l2, l4, l6 ... entre deux longueurs d'onde relativement proches 1 voie transmise voie couplée l 2 3 4 5 6 ou pour séparer deux peignes de longueurs d’ondes (interleaver) Pierre LECOY - Optoélectronique

MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE Principe du « phasar » (AWG, arrayed waveguide grating) : effet d’interférences entre guides avantage de l’optique intégrée Pierre LECOY - Optoélectronique

RESEAUX DE BRAGG Bragg gratings Principe des réseaux de Bragg photoinscrits : fibre (ou guide) optique zone où l’indice est modulé périodiquement (pas = L) ----------------------> lumière incidente polychromatique ------- --------------> les autres sont transmises une seule longueur d’onde est réfléchie: celle pour laquelle il y a accord de phase entre les réflexions élémentaires : l = L.2n Applications : filtres, (dé)multiplexeurs, capteur d’allongement Pierre LECOY - Optoélectronique

MULTIPLEXEUR D’INSERTION- EXTRACTION OADM, Optical Add-Drop Multiplexer li extrait (signal 1) li inséré (signal 2) réseau de Bragg à li circulateurs permet d’extraire un signal, et d’en insérer un autre à sa place sans démultiplexer l’ensemble Pierre LECOY - Optoélectronique

COMPENSATEUR DE DISPERSION CHROMATIQUE Utilisation d’un réseau de Bragg « chirpé » publi. « Fiber Systems » Pente du compensateur en ps/nm doit être égale à DC.L pour compenser une longueur L de fibre  composant « sur mesure » ... Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY, Professeur ECP LES COMPOSANTS Composants optiques actifs : modulateurs, commutateurs Pierre LECOY, Professeur ECP

COMPOSANTS ACTIFS Effet électro-optique (ou effet Pockels): modification de l’indice sous l’effet d’un champ électrique dans un cristal électro-optique (LiNbO3, niobate de lithium) +V -V tension de commande substrat guides électrodes Dn = n3.r’.e/2 r' coefficient électro-optique effectif n augmente n diminue Lignes de champ e  Modulation de phase Tension de « demi-onde » : Vl/2 = l/n3r’ déphase de p Pierre LECOY - Optoélectronique

COUPLEUR ELECTRO-OPTIQUE DIRECTIF Principe : -V +V désaccord  pas de couplage guides électrodes accord  couplage état // état X entrée Schéma de principe, à 2 électrodes Guides Substrat Commande à 4 électrodes Applications : commutateur très rapide (<100 ps) modulateur tout ou rien multiplexage temporel OTDM, expérimental 160 Gbit/s actuellement Pierre LECOY - Optoélectronique

MODULATEUR OPTIQUE Interféromètre de Mach – Zehnder (MZI ou MZM) : utilisation de l’effet électro-optique en optique intégrée +V -V + f - f 2f = p : rien Entrée Sortie Bras de l'interféromètre f = 0 : tout électrodes Applications : Modulation tout ou rien Modulation d’amplitude (en cos2f) Modulation de phase avec f = 0 ou p (formats duobinaire ou DPSK) Le champ modifie l’indice, donc la phase Pierre LECOY - Optoélectronique

MODULATEUR OPTIQUE Interféromètre de Mach – Zehnder : modulation d’amplitude « analogique » +V -V +f -f Entrée Sortie (en cos2f) Bras de l'interféromètre électrodes Nécessité d’une prépolarisation (bias) pour être dans la zone linéaire Applications : RF sur fibre Solitons RZ ou NRZ filtré … Pierre LECOY - Optoélectronique

Polarisation (pour modulation analogique) MODULATEUR OPTIQUE lumière continue Signal (10 à 40 Gbit/s) en modulation externe lumière modulée Polarisation (pour modulation analogique) à plus bas débit, la modulation interne est possible, et plus économique Pierre LECOY - Optoélectronique

COMMUTATEURS Fonctions : commutateur de 1 vers 2 (ou un petit nombre) de voies fonction de sécurisation, protection, contrôle … matrices de grande capacité (nœuds de réseaux) Pierre LECOY - Optoélectronique

Micromécanique (MEMS) COMMUTATEURS Technologies : Rapidité Encombrement consommation Capacité Applications Mécanique 100 ms important faible Faible Sécurisation de réseaux Micromécanique (MEMS) ms moyenne Elevée Brasseurs (matrices) Optique intégrée (acousto- ou electro-optique) µs à ns élevée Assez Commutation temporelle 3D (ex. holographiques) ms / s moyen faible (LCD) Très Pierre LECOY - Optoélectronique

Longueurs d'onde optiques. Miroirs orientables 2 axes. COMMUTATEURS Matrices de commutation 3D : principe Arrivées Départs Longueurs d'onde optiques. Miroirs orientables 2 axes. Parcours lumineux. Réflecteur fixe. Fibres. Extrait de Réseaux et télécoms 27 4 2001 : Lambda router Lucent Pierre LECOY - Optoélectronique

Exemple de réalisation en MOEMS COMMUTATEURS Matrices de commutation à micromiroirs Exemple de réalisation en MOEMS (Micro Optical Electrical Mechanical Structure) Lucent, 2000 Pierre LECOY - Optoélectronique