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

LES TECHNOLOGIES OPTO-ELECTRONIQUES Dans de nombreux domaines …. Capteurs d’image Transmissions par fibres optiques Communication infra-rouge en espace libre Ecrans de visualisation Affichage

LES TECHNOLOGIES OPTO-ELECTRONIQUES Dans de nombreux domaines …. Métrologie Composants pour les systèmes électroniques Eclairage Energie photovoltaïque Stockage de l’information

LES TECHNOLOGIES OPTO-ELECTRONIQUES Technologies de base : Cristaux liquides Optique guidée Semi-conducteurs Optique intégrée Microstructures

LES TECHNOLOGIES OPTO-ELECTRONIQUES Quelques dates : Effet photoélectrique 1900 Electroluminescence 1920 Tube cathodique 1940 endoscopie Cellules photovoltaïques 1960 Lasers DELs Capteurs CCD Afficheurs LCD Fibres optiques CD audio/ CDROM 1980 Caméscopes Écrans plasma Écrans TFT TAT 8 Diodes bleues et blanches Photo numérique Amplis optiques 2000 DVD WDM Ecrans plats HD (et 3D), blue-ray, OLED, FTTH… éclairage à LEDs et énergie solaire …

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 1 : LES FIBRES OPTIQUES Présentation des systèmes à fibres optiques Propagation dans les fibres multimodes Propagation dans les fibres monomodes Atténuation Effets non linéaires Pierre LECOY

Présentation des systèmes LES FIBRES OPTIQUES Présentation des systèmes à fibres optiques Pierre LECOY

réseaux « tout optique » ? FIBRES OPTIQUES Historique : Prix Nobel 2009 XIXème siècle description du phénomène années 60 instrumentation optique à fibres C. Kao propose l’utilisation en télécom années 70 mise au point des procédés de fabrication années 80 premières liaisons commerciales 1988 TAT 8 (liaison transatlantique) 1995 systèmes à amplification optique et multiplexage en longueur d’onde 2000 commutateurs optiques 2010 systèmes cohérents (100 Gbit/s … ) réseaux « tout optique »  ? Pierre LECOY - Fibres Optiques

Sécurité des informations LES FIBRES OPTIQUES Avantages : 0,2 dB/km Portée > 100 km Performances de transmission : - très faible atténuation - très grande bande passante - multiplexage en longueur d’onde possible 10/100 Gbit/s par l Plusieurs Tbit/s ! Insensible aux perturbations Avantages de mise en oeuvre : - faible poids, très petite taille, grande souplesse - sécurité électrique (isolation) et électromagnétique Avantage économique : - coût global du système souvent inférieur à celui d'un système “ sur cuivre ” - réduction de la consommation en énergie Sécurité des informations Pierre LECOY - Fibres Optiques

Toujours en croissance LES FIBRES OPTIQUES Domaines d’utilisation : Marché fortement cyclique Télécommunications et réseaux : Liaisons longue distance, terrestres et sous-marines (WAN) Réseaux métropolitains (MAN) Réseaux locaux informatiques (LAN) Réseaux d’accès des abonnés (FTTH) Toujours en croissance Redémarrage du marché Liaisons industrielles : contrôle, vidéo, bus de terrain, interconnexions dans une carte ou une puce Insensibilité aux perturbations Capteurs et instrumentation optique Transport de lumière éclairage, visualisation, faisceaux laser … Pierre LECOY - Fibres Optiques

Pierre LECOY - Fibres Optiques LES FIBRES OPTIQUES Exemple de système de mesure à fibre optique : «  optode » mesure de température, composition chimique … Pierre LECOY - Fibres Optiques

SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES Eléments d’une liaison sur fibres optiques : Amplificateur optique (répéteur-régénérateur pour les anciennes liaisons) signal électrique Interface Optique d'Emission Fibre Optique (IOE) Interface Optique de Réception (IOR) (signal optique) multiplexeur Pierre LECOY - Fibres Optiques

LIAISONS INFRAROUGE Port IrDA à courte distance (4 Mbit/s) Télécommande (bas débit) MRV FSO, Free Space Optics Lien infrarouge (laser) sans fibre Installation rapide, faible coût Débits élevés (jusqu’à 10 Gbit/s) Sécurité élevée Distances courtes (1 à 4 km) Applications : Liaisons d’entreprise Accès haut débit, zone urbaine Dans l’espace, entre satellites ? Pierre LECOY - Fibres Optiques

Propagation dans les fibres multimodes LES FIBRES OPTIQUES Propagation dans les fibres multimodes Pierre LECOY

GUIDE D’ONDES DIELECTRIQUE Principe du guide d’ondes diélectrique plan : z x +a -a n2 n1 n’2 y O Vecteurs d’onde : k1 (incident) = {a,b} k’1 (réfléchi) = {- a,b} k’2 (évanescent) = {-jg,b} avec |ki| = k0 ni et b = k0n1cosq (k0 = 2p/l nombre d’onde) k’2 onde évanescente q a k’1 b onde guidée k1 b a Condition de guidage : k0n1 > b > k0n2 Le champ global se propage selon une loi en exp j(wt - bz) Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES à saut d’indice (step index) : Cône d'acceptance Q0 q0 z Cœur (core) indice n1 r a b Gaine (cladding) indice n2 n(r) Rayon réfracté Rayon guidé q0 Forte différence de temps de propagation Angle limite : n1.cos q0 = n2 ouverture numérique ON = sin Q0 = n1 sinq0 = Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES à gradient d’indice (graded index) : Cœur : indice n(r) r z a b Gaine (indice n2) n(r) n1 Faible différence de temps de propagation Indice du cœur : n(r) = n1 Différence relative d’indice D = Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Calcul de la trajectoire des rayons lumineux : Solution : k = buz+ n/r.u+ f(r).ur O x y z Equation des rayons : f b q k P E z y r u z y r [n. ] = grad n ordre azimutal, entier (n périodes sur un tour) Conditions initiales avec k = k0 n(P) z O y x P E Plan d’incidence f E Q q Rayon entrant Vecteur d’onde Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Dispersion intermodale : le temps de propagation dépend du mode d’où un élargissement d’impulsion qui dépend de la répartition modale Temps de propagation de groupe (t.p.g.) : localement tg(s) = dk/dw = N(s)/c globalement t = Indice de groupe : N = n-l.dn/dl  n s = abscisse curviligne q a t (q ) - t (0) L fibre à saut d'indice fibre à gradient d'indice optimisé Ecart de t.p.g. en fonction de l’inclinaison qa du rayon sur l’axe Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Dispersion chromatique : la vitesse de l’onde dépend de l (car l’indice du matériau en dépend) d’où un élargissement d’impulsion : Dtc = Dc. Dl.L au bout d’une longueur L (km) ps Dc (ps/nm/km) l (mm) 40 20 -20 -40 1 1,2 1,4 1,6 Dispersion matériau de la silice largeur spectrale de la source (nm) Dc = dtg/dl en ps/nm/km Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Réponse impulsionnelle h(t) : t Impulsion émise e(t) t Impulsions reçues s(t) = e(t)*h(t) Dt im fibre à gradient d'indice Dt im fibre à saut d'indice Effet de la dispersion intermodale Effet de la dispersion chromatique Elargissement total d’impulsion : Dt = * Produit de convolution Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Réponse fréquentielle : - 3 dB 20 log H(f)/H(0) f BP (si) fibre à saut d'indice BP (gi) fibre à gradient d'indice Bande passante : BP  1/2Dt en MHz.km approximativement le produit longueur x bande passante est constant Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES à saut d’indice à gradient d’indice Dispersion intermodale élevée (Dtim  100 ns/km) faible (Dtim  1 ns/km) Matériaux plastique silice/silicone toute silice (rare) toute silice (cœur « dopé » à l’oxyde de germanium) Ouverture numérique (ON = 0,4 à 0,5) plus faible (ON = 0,2 à 0,3) Puissance couplée Applications Optiques (éclairage, etc. …) Trans. données très courte distance réseaux locaux réseaux d’accès Pierre LECOY - Fibres Optiques

Propagation dans les fibres monomodes LES FIBRES OPTIQUES Propagation dans les fibres monomodes Pierre LECOY

MODES D’UNE FIBRE OPTIQUE Equation de propagation : DE = m0e0n2 = - m0e0n2w2E Nombre d’onde : k0 = 2p/l = w onde de pulsation w Solution dans un guide diélectrique circulaire : E (r,y,z,t) = E1(r) exp j (wt - bz - ny) ordre azimutal, entier (n périodes sur un tour) Champ radial en Jn(r) (Bessel) dans les fibres à saut d’indice constante de propagation longitudinale : k0n1>b> k0n2 Seules certaines valeurs discrètes de b sont possibles (modes) tg = db/dw le nombre de modes est fixé par : V = a.k0. fréquence réduite environ V2/4 dans une fibre GI Pierre LECOY - Fibres Optiques

MODES D’UNE FIBRE OPTIQUE Principes du calcul : on résout l’équation de propagation pour E et H de la forme précédente on calcule les composantes longitudinales E1z et H1z on en déduit les composantes transverses par les équations de Maxwell Solution pour une fibre à saut d’indice : en Jn (u.r/a) dans le cœur en Kn (v.r/a) dans la gaine fonction de Bessel d’ordre n fonction de Hankel d’ordre n : champ évanescent Equations de continuité à l’interface cœur - gaine : système homogène de 4 équations linéaires solution non nulle seulement si le déterminant est nul  modes propres permet de déterminer les valeurs de b correspondant aux modes Pierre LECOY - Fibres Optiques

MODES D’UNE FIBRE OPTIQUE Différents types de modes : si n = 0, modes transverses (rayons méridiens) modes TE0m (E1z = 0) modes TM0m (H1z = 0) si n  0, modes hybrides modes EHnm modes HEnm les modes HE1m sont à polarisation linéaire Fréquences de coupure : b  k0n2 et E1z  0 on en déduit la valeur de V correspondant à chaque type de mode : soit la mème racine de J0 (V) pour les modes transverses et la mème racine de J1 (V) pour les modes HE1m correspond à la réfraction limite le mode HE11 a une fréquence de coupure nulle : il est toujours guidé Pierre LECOY - Fibres Optiques

MODES D’UNE FIBRE OPTIQUE Diagramme de dispersion dans une fibre à saut d’indice : Mode fondamental « pseudo-modes » Champ Intensité HE21 TE01 TM01 EH11 HE31 V=2,4 : coupure des premiers modes d’ordre supérieur Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MONOMODES Condition de propagation monomode : V (fréquence réduite) = < 2,4 mais pas infinie (dispersions chromatique et de polarisation) il faut donc : un petit diamètre de cœur (typ. moins de 10 µm) une faible différence d’indice (typ. moins de 0,5%) l > lc longueur d’onde de coupure Inconvénient : raccordements très précis donc coûteux Très grande bande passante  très hauts débits Avantages : - pas de dispersion intermodale - conservation de la cohérence de la lumière Ce n’est pas la fibre qui est chère ! Applications en instrumentation Pierre LECOY - Fibres Optiques

FIBRES OPTIQUES MONOMODES Caractéristiques : Divergence du faisceau en sortie : q0 = l/pw0 Profil à saut d’indice (fibre standard) r n2 n(r) n1 r E(r) 2w0 z gaine cœur 2a q diamètre de mode augmente avec l Profil gaussien du champ E(r) = E0 . exp -(r/w0)2 Pierre LECOY - Fibres Optiques

DISPERSION CHROMATIQUE Dans les fibres monomodes : Dc = DM + DG Dc (ps/nm/km) l (mm) 40 20 -20 -40 1 1,2 1,4 1,6 Dispersion matériau décalage possible négligeable dans les fibres multimodes Dispersion guide toujours < 0 dépend des paramètres de la fibre Approximation : DG  - 1,98/V2 Pierre LECOY - Fibres Optiques

DISPERSION CHROMATIQUE Dans les fibres monomodes : Dc = DM + DG Pas adaptée au WDM Dc (ps/nm/km) l (mm) 40 20 -20 -40 1 1,2 1,4 1,6 Dispersion matériau DM Fibre à dispersion décalée (DSF) G653 nulle à 1,55 mm Fibre standard G652 : optimale à 1,3 mm utilisable à 1,5 mm (liaisons pas trop longues) Fibre NZ-DSF G655 (non zero – dispersion shifted fiber) Dispersion faible dans toute la 3ème fenêtre Adaptée au WDM (mux. en longueur d’onde) + compensation optique de la dispersion Pierre LECOY - Fibres Optiques

BIREFRINGENCE En théorie : fibre optique isotrope  conservation de l'état de polarisation En pratique : biréfringence (naturelle ou induite) Si bx  by : biréfringence Db = bx - by B = Db/b biréfringence relative non conservation de l'état de polarisation initial dispersion de type intermodale : Dtp = n1.B/c (ps/km) sur 1 km DGD, differential group delay Si biréfringence aléatoire : Dispersion due à la polarisation (PMD, polarisation mode dispersion) Dtp = PMD.L gênant sur les liaisons très longues (avec amplification optique) ps/km Pierre LECOY - Fibres Optiques

BIREFRINGENCE INDUITE Si la fibre optique est soumise à … cœur éléments rigides (ou creux) créant une contrainte une contrainte interne permanente  fibres à maintien de polarisation une contrainte externe (pression, courbure, torsadage) un champ magnétique longitudinal (effet Faraday) capteurs Pierre LECOY - Fibres Optiques

LES FIBRES OPTIQUES Atténuation Pierre LECOY

Pierre LECOY - Fibres Optiques ATTENUATION Atténuation intrinsèque des fibres de silice : 0,1 5 2 a (dB / km) l 1 0,5 0,2 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 µm Absorption infrarouge Diffusion Rayleigh fibre multimode coupure des modes d’ordre supérieur fibre monomode Pic OH Bandes : O E S C L 1ère 2ème 3ème fenêtre Pierre LECOY - Fibres Optiques

FENETRES DE TRANSMISSION Pierre LECOY - Fibres Optiques

ATTENUATION Pertes extrinsèques : réduites par … Par courbure Aux raccordements Quelques applications : Capteurs mécaniques Pinces de contrôle de trafic réduites par … le choix de la fibre (forte ON) la structure du câble la précision des connecteurs Pierre LECOY - Fibres Optiques

Effets non linéaires et applications LES FIBRES OPTIQUES Effets non linéaires et applications Pierre LECOY

Pierre LECOY - Fibres Optiques EFFETS NON LINEAIRES Très faibles dans la silice, mais … très faible section du cœur de la fibre  très fortes intensités ; grande longueur d'interaction  effets non linéaires sensibles au delà de seuils de puissance surtout dans les systèmes à amplification optique  limite en puissance et à multiplexage en longueur d'onde intermodulation entre canaux  perturbations, mais aussi nouvelles applications en télécom (amplification paramétrique, changement de longueur d’onde … ) Autres applications : dans le traitement, la commutation, et le stockage optiques des informations … Pierre LECOY - Fibres Optiques

Pierre LECOY - Fibres Optiques EFFETS NON LINEAIRES Principaux effets : Diffusion Raman (interaction photon – phonon) Effet Kerr (augmentation de l’indice sous l’effet de la lumière) Mélange 4 photons  amplification paramétrique Applications : émission multi-Stokes  amplification optique Conséquences : auto-modulation de phase (SPM, self phase modulation)  solitons modulation de phase croisée (XPM, cross-phase modulation) mélange non linéaire entre les différentes porteuses en WDM Pierre LECOY - Fibres Optiques

Pierre LECOY - Fibres Optiques EFFET KERR Dans les milieux non linéaires isotropes : D = e0n2 E + c(2) E2 + c(3) E3 + ... d'où : un terme en E3 cos 3wt  triplement de fréquence un terme en 3E3 cos wt  augmentation d'indice : Dn = n (2)I avec I intensité lumineuse et n(2) indice non linéaire très faible dans la silice (3,2.10-20 m2/W) c(2) nul dans la silice Conséquences : auto-modulation de phase (SPM, self phase modulation) Df = 2p/l. L. n(2).I sur une longueur L à l'origine des solitons modulation de phase croisée (XPM, cross-phase modulation) mélange non linéaire entre les différentes porteuses d'un système multiplexé en longueur d'onde autofocalisation  soliton spatial dans les fibres monomodes Pierre LECOY - Fibres Optiques

Pierre LECOY - Fibres Optiques SOLITONS Conséquence de l’automodulation de phase : variation de la longueur d’onde si l’intensité varie Dl = = n(2) sur une longueur L en cas de dispersion chromatique positive : compression de l’impulsion Front descendant : I diminue, donc Df et l aussi la dispersion accélère la lumière Front montant : I augmente, donc Df et l aussi, la dispersion ralentit la lumière Solution en 1/ch(t/T0) implique un format RZ Applications : - génération d’impulsions ultracourtes (fs) - propagation d’impulsions sans déformation sur fibre optique (solutions de l’équation des solitons , non linéaire) Pierre LECOY - Fibres Optiques