LES FIBRES OPTIQUES

1. LES FIBRES OPTIQUES Pierre LECOY Professeur ECP /ENSEA Option ESE 2009

2. FIBRES OPTIQUES 0,2 dB/km Portée > 100 km Avantages des fibres optiques : • Performances de transmission : • très faible atténuation • très grande bande passante • multiplexage en longueur d’onde possible 10/40 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 ” Sécurité des informations Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

3. FIBRES OPTIQUES 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 Domaines d’utilisation : Toujours en croissance Redémarrage du marché (FTTH) • Liaisons industrielles et embarquées : contrôle, video, 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 ESE

4. Amplificateur optique (répéteur-régénérateur pour les anciennes liaisons) Interface Optique d'Emission (IOE) signal multiplexeur électrique Fibre Optique (signal optique) signal électrique Interface Optique de Réception (IOR) FIBRES OPTIQUES • Eléments d’un système sur fibres optiques : Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

5. Cône d'acceptance Cœur (indice n1) r Rayon réfracté n(r) 0 q0 Q0 q0 z a Rayon guidé b Gaine (indice n2) Angle limite : n1.cos q0 = n2 ouverture numériqueON = sin Q0 = n1 sinq0 = FIBRES OPTIQUES MULTIMODES • A saut d’indice (step index) : revêtement Forte différence de temps de propagation Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

6. Cœur : indice n(r) r n(r) 0 z a n1 b Gaine (indice n2) Indice du cœur : n(r) = n1 Différence relative d’indice D= FIBRES OPTIQUES MULTIMODES • A gradient d’indice (graded index) : Faible différence de temps de propagation Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

7. FIBRES OPTIQUES MULTIMODES Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

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

9. 20 log H(f)/H(0) f BP (si) BP (gi) 0 - 3 dB fibre à gradient d'indice fibre à saut d'indice FIBRES OPTIQUES MULTIMODES • Réponse fréquentielle : • Bande passante : • BP  1/2Dt en MHz.km approximativement • le produit longueur x bande passante est constant Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

10. Inconvénient : raccordements très précis • donc coûteux FIBRES OPTIQUES MONOMODES mais pas infinie (dispersions chromatique et de polarisation) • Condition de propagation monomode : V (fréquence réduite) = < 2,4 • il faut donc : • un petit diamètre de cœur (typ. moins de 10 µm) • une faible différence d’indice (typ. moins de 0,5%) • l > lclongueur d’onde de coupure 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 ESE

11. r gaine r n1 E(r) z n(r) q 0 n2 2w0 2a cœur E(r) = E0 . exp -(r/w0)2 Profil gaussien du champ diamètre de mode augmente avec l FIBRES OPTIQUES MONOMODES Divergence du faisceau en sortie : q0 = l/pw0 Profil à saut d’indice (fibre standard) • Caractéristiques : Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

12. Dispersion de polarisation • (PMD, polarisation mode dispersion) • existence de 2 polarisations de vitesses différentes • entraîne un élargissement : Dtp = PMD. FIBRES OPTIQUES MONOMODES • Dispersion chromatique : • entraîne un élargissement d’impulsion : Dtc = Dc. Dl.L Défauts de la fibre + biréfringence induite (contraintes … ) ps/nm/km ps/km Caractère aléatoire Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

13. Dc (ps/nm/km) Dispersion matériau DM 40 Fibre à dispersion décalée (DSF) G653 nulle à 1,55 mm 20 0 Pas adaptée au WDM 1,6 l (mm) 1 1,2 1,4 -20 Fibre NZ-DSF G655 (non zero – dispersion shifted fiber) Dispersion faibledans toute la 3ème fenêtre -40 Fibre standard G652 :optimale à 1,3 mm utilisable à 1,5 mm (liaisons pas trop longues) DISPERSION CHROMATIQUE Dispersion guide < 0 dépend des paramètres de la fibre • Courbe dans la silice : Dc = DM + DG Adaptée au WDM (mux. en longueur d’onde) + compensation optique de la dispersion Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

14. (dB / km) a coupure des modes 5 d’ordre supérieur 2 fibre multimode 1 0,5 fibre monomode 0,2 0,1 l 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 µm ATTENUATION • Atténuation intrinsèque des fibres de silice : Absorption infrarouge Diffusion Rayleigh Pic OH 1ère 2ème 3ème fenêtre Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

15. PERTES EXTRINSEQUES • Fuite de lumière …. • par courbure ou microcourbures • 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 ESE

16. Fenêtre Première Deuxième Troisième Longueur d'onde 0,78 à 0,9 µm 1,3 µm 1,5 à 1,6 µm Type de fibre utilisées multimode multimode et monomode monomode Atténuation Dispersion chromatique faible, non nulle très faible dans les fibres à dispersion décalée très faible (0,2 dB/km) forte (2 à 4 dB/km) faible (0,4 à 1 dB/km) forte quasi nulle FENETRES DE TRANSMISSION • sur fibres optiques de silice : Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

17. Fenêtre Première Deuxième Troisième diodes laser DFB (monochromatiques) DEL ; lasers VCSEL (très hauts débits) GaInAsP / InP Coût des composants faible moyen élevé Emetteurs : type D.E.L.(multi-) D.L. standard (dans mono-) Transmissions courte distance ; réseaux locaux ; gigabit à très courte distance Transmissions moyennes et longues distance ; MAN et LAN haut débit matériau GaAlAs/GaAs Récepteurs : matériau Silicium GaInAsP / InP Ge, HgCdTe (très peu employés) Applications Transmissions très longue distance (WAN) et à amplification optique Multiplexage entre les deux fenêtres (par exemple : une par sens) "Dense" (nombreux canaux dans la même fenêtre) FENETRES DE TRANSMISSION FTTH Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

18. PRINCIPAUX TYPES DE FIBRES Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

19. Doc. ACOME CABLES A FIBRES OPTIQUES Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

20. CONNECTEURS OPTIQUES Grande variété ! Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

21. COMPOSANTSDES SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

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

23. n fibres Pe Pe/n COUPLEUR EN ETOILE • à fibres torsadées et fusionnées perte : 10 log n (théorique) + perte en excès Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

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

25. Filtre dichroïque l2, réfléchi l1 et l2 l1, transmis MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE • de type : à deux voies, technologie à filtres dichroïques Permet le multiplexage de signaux en sens identiques ou opposés entre deux fenêtres de transmission Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

26. o r d r e 2 q2 L o r d r e 1 q1 onde plane incidente (fibre accès commun) L s i n qm = m l MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE • Principe du réseau de diffraction (grating) diffraction par une surface gravée + interférences Vers fibres à accès sélectif • Applications : • (dé)multiplexeurs en l • analyse spectrale Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

27. zone où l’indice est modulé périodiquement (pas = L) fibre (ou guide) optique lumière incidente polychromatique ------- --------------> ----------------------> les autres sont transmises RESEAUX DE BRAGGBragg gratings • Principe des réseaux de Bragg photoinscrits : 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, capteurs d’allongement Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

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

29. +V + f électrodes Sortie Entrée f = 0 : tout 2f = p : rien - f Bras de -V l'interféromètre MODULATEUR OPTIQUE • Interféromètre de Mach – Zehnder : • utilisation de l’effet électro-optique en optique intégrée • Applications : • Modulation tout ou rien • Modulation analogique (en cos2f) • Modulation de phase à 2 états • avec f= p (formats duobinaire ou DPSK) Le champ modifie l’indice, donc la phase Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

30. lumièrecontinue lumièremodulée Signal (10 à 40 Gbit/s) MODULATEUR OPTIQUE à plus bas débit, la modulation interne est possible, et plus économique • pour modulation externe • nécessaire à très haut débit Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

31. COMMUTATEURS OPTIQUES • Technologies : Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

32. Mode de fonctionnement COMMUTATEUR OPTIQUE • « switch » à deux voies Doc. DICON Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

33. COMMUTATEUR OPTIQUE • Matrices de commutation à micromiroirs Exemple de réalisation en MOEMS (Micro Optical Electrical Mechanical Structure) ; Lucent, 2000 Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

34. MATERIAUX ELECTROLUMINESCENTS • Semi-conducteurs III-V : lecture de disques optiques, visualisation … GaN/InGaN bleu (l = 440 nm) GaP vert (l = 565 nm) Ga Asx P1-x du jaune au rouge GaAlP rouge à haut rendement GaAs 1ère fenêtre infrarouge (l = 900 nm) Ga1-x Alx As entre 700 et 900 nm en fonction (décroissante) de x Ga1-x Inx Asy P1-y 2ème ou 3ème fenêtre infrarouge (l = 1200 à 1600 nm en fonction croissante de x et y) Ga1-x Inx Asy Sb1-y autour de 2,5 µm • DEL blanches : par phosphorescence d’un matériau excité dans le bleu Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

35. Diodes électro-luminescentes : Photons émis Photons émis Couches de - + GaAlAs confinement p n GaAlAs GaInAsP Couche active n p GaAs InP substrat + - Emission dans la deuxième ou troisième fenêtre Emission dans la première fenêtre (suivant composition de la couche active) EMETTEURS Principe de l’hétérojonction Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

36. Structure Fabry Pérot L Contact conducteur Emission face arrière Substrat Couche active GaAlAs courant Couches de Isolant confinement Contact Ruban conducteur Emission face avant diverge du fait de la diffraction l DIODES LASER Courant supérieur à un seuil Amplification si J > Jth + résonance pour lp = 2Ln/p Spectre multimode (large) Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

37. Diodes laser : structure DFB (distributed feed-back) Ruban enterré (couche active) GaInAsP Réseau de diffraction intégré sur le guide p n p n n coupe du coin Substrat (InP) l EMETTEURS Composant coûteux ! Réflexion distribuée d’une seule longueur d’onde l = 2L.n Spectre monomode (étroit) Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

38. Diodes laser : structure VCSEL Emission de lumière Miroir de Bragg Contacts supérieur électriques Couche active Miroir de Bragg inférieur Substrat EMETTEURS (vertical cavity surface emitting laser) Test possible sur wafer Composant de hautes performances mais économique à fabriquer Applications à 850 nm : courte distance et (très) hauts débits (10 Gbit/s) lecture optique, impression ….. Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

39. EMETTEURS POUR FIBRES OPTIQUES En recul Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

40. Différents boîtiers : Module à diode laser à fibre amorce en embase de connecteur EMETTEURS Doc. NORTEL Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

41. Principe de la photodiode PIN Sensibilité spectrale : Photons Couche anti-reflets S GaInAs Si p+ R trous Zone i E électrons d'absorption V l n Substrat 1 mm i = iS + iD RECEPTEURS non dopée (i = intrinsèque) iS = S.P photocourant S sensibilité de la photodiode (en A/W) = hq/hn iDcourant d'obscurité responsivity Bruit quantique : <iq2> = 2q.i.DF dark current Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

42. Modèle (simplifié) : P iS=S.P PEB. DF équivalente Rapport signal / bruit : RSB= Puissance équivalente de bruit : PEB = d’où RSB = BRUIT DU RECEPTEUR Bruit de fond électronique <iF2> indépendant de P Bruit quantique (ou bruit de grenaille) <iq2> = 2qSP.DF pW/Hz optique Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

43. TRANSCEIVER • Module d’émission - réception Doc. NORTEL Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

44. niveaux d'énergie transitions non radiatives Absorption : à 0,8 µm transition radiative E à 1,536 µm à 0,98 µmà 1,48 µm niveaux élargis par effet Stark AMPLIFICATION OPTIQUE • Principe dans une fibre dopée Erbium : (EDFA, erbium doped fiber amplifier) Amplifie autour de 1,5 mm Autres matériaux : Neodyme (Nd) à 1,06 mm Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

45. Section efficace (10-25 m2) Spectre d'émission (fluorescence) 6 Spectre d'absorption 4 2 pompage amplification l 0 1,45 1,50 1,55 1,60 µm AMPLIFICATION OPTIQUE • Spectre dans l’erbium : Amplifie de nombreuses longueurs d’onde Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

46. fibres adaptatrices isolateur Multiplexeur filtre isolateur sortie entrée Photodiode diode laser de pompe de contrôle fibre amplificatrice = soudure AMPLIFICATEUR OPTIQUEA FIBRE DOPEE ERBIUM • Schéma (amplificateur unidirectionnel, pompage vers l'aval) : • avantages : amplifie un grand nombre de longueurs d’ondes • simple car pas d’électronique haut débit • mais … pas de régénération  ne compense pas la dispersion • accumulation du bruit et des effets non linéaires Pierre LECOY - Fibres optiques ESE