2ème partie: fibres à gradient d’indice, dispersion

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1 2ème partie: fibres à gradient d’indice, dispersion
Fibres optiques 2ème partie: fibres à gradient d’indice, dispersion

2 Fibres à gradient d’indice (GRIN)
But Ré-équilibrer les temps de propagation des  modes Les plus longs doivent être plus rapides ! Moyen: profil d’indice

3 Trajectoire des rayons
Réfraction Écarte de plus en plus le rayon de la normale Dès que i > ic: réflexion totale Infinité de couches

4 Modes et ouverture numérique
Nombre de modes Ouverture numérique Dépend de la position d’entrée par rapport à l’axe En r = 0, (= fibre à saut d’indice) En r = a, NA=0

5 Dispersion Dispersion modale Exemple: n1 = 1,48 et n2 = 1,46
Réduite d’un facteur 8/D Exemple: n1 = 1,48 et n2 = 1,46

6 Dispersion chromatique (matériau)
Source “monochromatique” Laser: Dl = 2 nm LED: Dl = 50 nm Indice de réfraction Dépend de l Elargissement

7 Exemple Paramètre de dispersion SiO2 Elargissement
autour de 1,27 µm: pas de dispersion Elargissement 850 nm 1550 nm LED 4,4 ns/km 1,1 ns/km Laser 174 ps/km 44 ps/km

8 Dispersion chromatique (guide d’ondes)
Direction de propagation Dépend de l Guide d’ondes plan Indice de réfraction effectif i (et t) dépendent de l

9 Dispersion totale Dispersion chromatique totale Elargissement total

10 Coefficient d’atténuation
Intensité Entrée: I0 Sortie: I(L) < I0 Tranche dz 10

11 Exemple Atténuation: 0,2 dB/km

12 Pertes par diffusion Diffusion de Rayleigh Silice: SiO2 désordonné
Diffusion élastique: 1 molécule absorbe un photon ré-émet un photon de même fréquence Intensité proportionnelle à n4 (1/l4) couleur du ciel Silice: SiO2 désordonné Réémet des photons dans toutes les directions Condition de réflexion totale plus satisfaite Solution Augmenter l Ex: 0,78 dB/km à 1 µm  0,13 dB/km à 1,55 µm

13 Pertes par absorption Structure électronique (isolant)
Bande de valence (occupée) Bande de conduction (inoccupée) Bande interdite: Eg (gap) Transition électronique Passage d’un e- vers BC Si E=hn > Eg (9 eV = 140 nm pour SiO2)

14 Pertes par absorption (2)
Excitations de vibrations du réseau Fréquence proche des modes de la liaison Si-O (8 – 12 µm) Importante au-dessus de 1,55 µm

15 Pertes par absorption (3)
Absorption dans les impuretés Atomes métalliques (Fe, Cu, V, Co, Ni, Mn, Cr) Transitions électroniques 1ppm Fe3+  130 dB/km ! Ions OH- (eau) Vibration de la liaison O-H = 2,73 µm, harmoniques 1,38, 0,95 µm =1,23 µm: couplage O-H et Si-O Pertes par courbure Macroscopique (perte de réflexion totale) Microscopique (imperfections de fabrication)

16 Attenuation In Silica Fibers
2.5 “Optical Windows” 2 3 2.0 OH Absorption 1 Attenuation (dB/km) 1.5 1.0 0.5 The attenuation of optical power in a silica fiber is caused by these three effects: Rayleigh scattering, absorption, and bending. The attenuation limits the distance a signal can travel through the fiber by reducing the power budget. Rayleigh scattering is responsible for about 90% of the losses in the fiber. It is caused by microscopic non-uniformity of the refractive index of glass. This causes a ray of light to partially scatter into many directions, thus some light energy is lost. The loss created by this phenomena is a function of the wavelength of light, it decreases as wavelength increases. Absorption is caused by unwanted materials in the fiber, or impurities. Water ions are the dominant absorbers in most fibers, causing the peak in optical loss at 1.39 microns. Current manufacturing techniques can reduce these effects to almost zero. Above 1.7 microns glass itself starts absorbing light energy due to its own silicon-oxide resonance. The attenuation curve clearly shows why communication links use 1.3 and 1.55 micron wavelengths. Fiber curvatures with diameters on the order of centimeters are called “macrobending.” In this case the loss of optical power is caused by less-than-total reflection at the core-to-cladding boundary. “Microbending” is due to microscopic imperfections in the geometry of the fiber. 900 1100 1300 1500 1700 Wavelength (nm) Main cause of attenuation: Rayleigh scattering in the fiber core Revision 1.1 LW Technology (Cover, Appendix).PPT - 16 © Copyright 1999, Agilent Technologies