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Montpellier IIUniversité
Télécommunications optiques
Yves MOREAU, Université Montpellier II
WDM, Baets, univ.Gent
Cours L3 Assur
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Plan du cours• Les télécommunications par fibres optiques
I-Fibres et guides optiques II- Les sources III- les photodétecteurs IV-amplification optique IV-Fonctions optiques (coupleurs, isolateurs, filtres passifs, multiplexage, modulateurs externes ...) V-Signaux et systèmes de transmission sur fibre optique (codages, modulations, non linéarités, WDM, FDM...) VI- techniques de transmission dans les réseaux de télécommunications (hiérarchie numérique, câbles ous-marins, réseau terrestre, transmissions locales, distribution)
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L’optique pour les télécommunications
•Très faible atténuation (0 .1 dB/ km),
•Très large bande passante (25 THz)
•Faible poids, très petite taille
•Sécurité électrique : isolation totale entre terminaux, utilisation en ambiance explosive… insensible et non générateur de parasites,
•Inviolabilité
•Avantage économique : inférieur au système de cuivre, progrès au niveau des raccordements.
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La communication optique, voire le multiplexage enlongueur d’onde (WDM) sont de vieilles idées !
Rê Horaky (le Soleil à midi) transmet un faisceau lumineux multicolore à Tapéret(800-900 B.C.)Le Louvre, Paris
Avant-hier !
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•Le renouveau de l’optique : deux inventions(Schawlow,1957)
Laser CO² à 10,6µm absorbé, volumineux
Laser AlGaAs (1969)
Source de lumière cohérente: le laser
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Cohérence
La lumière est constituée d’une suite de trains d’ondes
Plus les trains sont longs, plus la lumière est dite cohérente
Lc = ²/(
Cette cohérence est dite « temporelle »
Cohérence spatiale : source = ensemble de points en phase => faible divergence
Nota : = c/(1.5 µm<->2 1014Hz) d = -cd/² (10 GHz <-> 0,8 nm)
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Autre avancée : la fibre optique
• 1970: fibre de silice < 20 dB/km
• Aujourd’hui, 0.15 dB/km seulement de pertes à 1,55 µm
Gaine optique 125 µmsilice pure
Gaine de protection 250 µmpolymère
Cœur qq µmsilice dopée Ge
r
z
Gaine optique 125 µmsilice pure
Gaine de protection 250 µmpolymère
Cœur qq µmsilice dopée Ge
r
z
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Domaines d’utilisation
• Télécommunications : Liaisons urbaines et interurbaines (grande capacité), liaisons sous-marines
• Vidéocommunications
• Liaison et réseaux de données
• Liaisons industrielles
• Capteurs et instrumentation
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Télécommunications : produit débit x distance (Gbits/s*km)
Aujourd’hui : qq Terabits sur tronçons de 100 km
Laser 1.3 µm et fibres unimodales
Laser 0.8 µm et fibres multimodes
Lasers unimodaux 1.55 µm
Amplificateurs à fibres dopées erbium
105
104
103
102
101
100
1974 1982 1990 19941978 1986
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Fibres et guides optiques
Fibre circulaire Guide en arête Guide diffuséGuide enterré
Guide plan
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Propagation optique
Vibration (temps)
Propagation (espace)
localement courbure (dérivée seconde) maximale
Pour une onde plane Ex = Eo*exp(j(ωt -kz))
z
Nombre d’onde k= 2/
Vitesse de phase v= k
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Indice de réfraction
Raccourcissement de la période avec l’indice, diminution de la vitesse de phase V=/k
k= ß= ko*n=2/o *n, Z=Zo/n
Si milieu hétérogène, l’onde propagée est associée à un indice « effectif » de valeur intermédiaire
•Onde électromagnétique : E et H
•Rapport E/H = Impédance Z
•Vide : Zo=Eo/Ho=377
E(x,y)*cos(t-z)= E(x,y)*cos((t+t)-(z+z)) si z = / t
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coeur
La lumière est piégée dans la zone d’indice un peu plus élevé
Paramètre de guidage :nc²-ng²
2 ng² = =
nc-ng
ng
Guidage « fort » d’autant plus que est grand
Fréquence normalisée : V = 2a/ nsub 2
Mécanismes de guidage
a = rayon du cœur (fibre), épaisseur (guide rectangulaire)
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A
T
B
Réflexion totale aux interfaces, en fait au voisinage (« Gooth Hanchen »)Rayons en phase après une double réflexion
Approche géométrique
Modes associés à l’angle d’incidence
Dans un guide, plusieurs milieux
C
Indice « effectif » = ng*cos(m), m ordre du « mode »
Propagation dans un guide
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Fibre optique: ouverture numérique
A
i1
i2
n1. cos c = n1.sin i1= n2 sin i2 (et i1 complémentaire) et pour i2 limite (= 90°) n1 cos c =n2=n1 (1-c²2)
n1² – n1² sin²c = n² => n1 sin c = (n1-n2+n2)² - n2²
=ON=sinA= n1 sin c = n1 2 (n1-n2)/n2
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Fibre multimode à gradient d’indice
n(r)= n1
a1 – 2 (r/a)²
Ouverture numérique plus faible (ON ~0,2) => 2 fois moins de puissance couplée
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Fibres optiques : modes•Fibre optique : guide circulaire.
•Calcul en coordonnées cylindriques (r,,z)
E (Laplacien(E))= µoon² ²E / t²
•E(r) solutions en fonctions de Bessel Jν
•Odre azimutal ν : déphasage de 2ν sur un tour
•ν = 0 => modes TEom ou TMom, sinon modes hybrides HEνm HMνm
•Nombre de modes : V²/2 (saut d’indice) et V²/4 (gradient) avec V=2r/o n1²-n2²
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Quelques modes dans les fibres
LP02
LP01
),(202 r ),(202 r
LP02
),(201
r
LP01
),(212 r
x
y
impair
),(221 r
x
y
impair
LP12
LP21
pair
pair
LPmn où m => cos(m) et n=nb d’extrema en r
Champ électromagnétique en m et
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Dispersion fibres multimodes Fibres à gradient d’indice
Fibres à saut d’indice
t
-3 dB
f
Bandes passantes
BP = 1 / (2 im) = im² + c² ~ ON²/2n1c
BP*km = qq MHz.km (saut d’indice), qq centaines MHz.km
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Vitesse de groupeVitesse de propagation de l’information (de l’enveloppe) Vg=d/dV
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Fibre unimodale
V < 2,4 2 wo
=> Peu de dispersion, dispersion chromatique seulement.
Faibles dimensions
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Dispersion chromatiquec = Dc L λ avec Dc = DM + DG en ps/nm/km
Dc (ps/nm/km)
λ1,2 1,4
Dispersion matériau
Fibre standard
Fibre à dispersion décalée
DG= (n1 – n2)/c . 2/V² pour 1.7< V < 2.4
DM=-o d²n1
c do²
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Montpellier IIUniversité
Atténuation des fibres optiques
Longueur d’onde (µm)
Att
énu
atio
n (
dB
/km
)
0,2
0,52
1.4 1.61.21.00.8
0.1
0.5
1
510
50 Courbe expérimentale
Diffusion Rayleigh Absorptionmultiphonon
Longueur d’onde (µm)
Att
énu
atio
n (
dB
/km
)
0,2
0,52
1.4 1.61.21.00.8
0.1
0.5
1
510
50 Courbe expérimentale
Diffusion Rayleigh Absorptionmultiphonon
P(L) = Po 10-L/10
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Montpellier IIUniversité
instrumentation infra-rouge
télécom longue distance
Télécom moyenne distance, réseaux informatiques
transmission courte distance
transport d'énergieéclairage, visualisation, transmission courte
Applications
très délicate
Gradient d’indicerelativement facile
délicatetrès facileMise en œuvre
très cher
assez élevéassez faibleassez élevémoyenfaibleCoût des systèmes
fragilebonne si protégéelimitéesouple mais déformable
résistance mécanique
500502010Bande passante (MHz km)
0.20.30.40.5Ouverture numérique
0.7-20.2 à 1.550.8-1.60.8-1.60.7-10,45-0,70λ utilisés (µm)
1 à 2.5µm, théor. < 0,01
0.5 à 1.33 à 0,85 0,9 à 1.3 µm2-55-10200Attenuation (dB/km)
7-9/12550/125100/140200/380980/1000Diamètre cœur/gaine (µm)
Verres fluorés
Silice (cœur dopé Germanium)Monomode
Silice (cœur dopé Germanium)Gradient d’indice
Silice (cœur dopé Germanium)Saut d’indice
Silice(cœur)/silicone-gaine)
plastiqueMatériaux
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Montpellier IIUniversité
Fabrication des fibres
La synthèse des matériaux est réalisée par oxydation en phase vapeur. On obtient :
• de la silice :
• de l’oxyde de germanium :
• de l’oxyde de phosphore :
• de l’oxyde de bore :
SiCl O SiO Cl4 2 2 22 GeCl O GeO Cl4 2 2 22 GeCl O GeO Cl4 2 2 22 4 3 2 63 2 2 3 2BCl O B O Cl
On chauffe les gaz réactifs dans un tube de silice tournant autour de son axe et, en fonction des gaz introduits dans le tube,On dépose des couches dont on peut faire varier l’indice :le germanium ou le phosphore augmentent l’indice,le bore ou le fluor le diminuent.
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Pertes de courbure
• Pour conserver une propagation avec surfaces de phase planes perpendiculaires à l’axe de propagation, la vitesse du champ à l’extérieur devrait être plus importante, voire dépasser la vitesse de la lumière => la partie du champ extérieur ne participe pas à la propagation.
Rayon diminué de a/ => pertes multipliées par eExemple :a = 4µm, D=4.10-3 , R diminué de 1 cm => pertes x 104
Atténuation de courbure: phénomène à seuil
Fibres standard : Rayon de qq cm toléré
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Fabrication d’une préforme (CVD)
• Réaction chimique et formation de suies.
• Dépôt de suies.
• Vitrification du dépôt.
extractionréactifsgazeux
chalumeaumobile
1700°
1
23
Dépot de la gaine
25 mm
Dépot du coeur
extractionréactifs
gazeux
chalumeau
mobile
1700°
1
23
2000°
Rétreint
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Montpellier IIUniversité
Soudeuse à fibre
Revêtement polymère Fibre nue
Support
Électrode
Avant soudure
Après soudure
Revêtement polymère Fibre nue
Support
Électrode
Avant soudure
Après soudure
Perte estimée: 0.1 dB
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Montpellier IIUniversité
Schéma d’une tour de fibrage
Four
Préforme
Mesure dudiamètre
Correctionde la Vitesse
d’enroulement
Enducteur derevêtements polymère
Four depolymérisation
Moteurd’entraînement
Tambour deréception
Fibre
Four
Préforme
Mesure dudiamètre
Correctionde la Vitesse
d’enroulement
Enducteur derevêtements polymère
Four depolymérisation
Moteurd’entraînement
Tambour deréception
Fibre
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Montpellier IIUniversité
Connecteurs pour fibres
FC/PC
E2000/APC
ST
SC/APC
Férule
Férule
Férule
Fibre nue
FéruleFace polie
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Aux extrémités des fibres
• Les circuits optiques• Les sources• Les photodétecteurs
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Montpellier IIUniversité
Double Phasar X connect (Herben et al.,TU Delft)
1 mm
« L’Optique intégrée » (Miller 1969)
Le circuit optique intégré a pour but de réaliser une fonction (filtre, couplage, etc .) et non de transmettre sans perte (fibres)
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Montpellier IIUniversité
nc
Optique intégrée : des guides de lumière
Guide enterré (buried) : par exemple : échange d’ions sur substrat de verre, ou matériau organique polymérisé localement
Guide en relief (ridge):
5 µm
La lumière est guidée dans la zone d’indice plus élevé
10 µm
nc
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Montpellier IIUniversité
Fabrication de guides d'ondes LiNbO3 par diffusion de Titane
1
2
3
4
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Montpellier IIUniversité
De nombreux matériaux possibles :
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Montpellier IIUniversité
Guides à largeur limitée
ns
ng
nc
Modes : profils (en fonction de l’injection)
Guide relief (ridge)
Guide enterréGuide canal
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Diviseurs
Quelques circuits optiques de base
coupleurs
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Montpellier IIUniversité
Exemple : interféromètre Mach Zehnder
(J+1/2)*/nep = J* /nei ,J entierDéphasage de = coupure
Beaucoup utilisé : la longueur d’un bras ou l’indice dans un bras peut varier avec la température, une tension électrique etc …
=> Modulateurs, capteurs
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Montpellier IIUniversité
WDM à coupleurs en étoile
PHASARCoupleur en
étoile d’entrée
Coupleur en étoile de sortie
Cercles de Rowland
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Montpellier IIUniversité
Cercles de Rowland
WDM à coupleurs en étoile
Ordre des couleurs par longueur d’onde : Ordre des couleurs en sortie pour l’entrée centrale :
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Montpellier IIUniversité
Isolateur rotateur Faraday
polariseur polariseur
H
= 45°
Sens passant
Sens bloquant
1 23
Pertes importantes
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Insertion/Extraction avec coupleurs
1 m N
m
m
50/50Réseauxde Bragg
50/50
m 1 N
1
2
3
4
Extraction en 2, insertion en 3
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Réseaux de Bragg
Structure périodique avec alternances de couches (< 1µm) à fort et faible indice
n
b
Filtre en longueur d’onde Distributeur de lumière
Lentille intégrée déflecteurfocalisation
Entrée-sortie
couplage
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(Dé)multiplexeur à réseaux
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Modulation externe avec Mach Zehnder
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Conclusion
L’optique est une vieille science qui connaît son renouveau
•en Télécoms (performances des fibres et puces optiques)
•en mesure (capteurs, détecteurs, analyse…)
Merci de votre attention!
La photonique est dans le sillon des nanotechnologies
L’optique propose des solutions? Reste à trouver les problèmes !
www.cem2.univ-montp2.fr/~moreau/
Photonic crystal laser, Y-H Lee et al, Science 305, 1444(2004)