Yves JAOUEN Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications Groupe Télécommunications Optiques

1. Yves JAOUEN Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications Groupe Télécommunications Optiques Département Communications et Electronique, CNRS UMR 5141 46 rue Barrault, 75634 Paris Tel : 01 45 81 77 32 Email : yves.jaouen@telecom-paristech.fr SYSTEMES DE COMMUNICATIONS OPTIQUES

2. Principes généraux Accroissement des fréquences porteuses - Domaine radiofréquence l = 37 cm  f = 800 MHz - Domaine millimétrique l = 1 cm  f = 30 GHz - Domaine optique l = 1 µm  f = 300 THz Débits - Domaine radiofréquence f = 1 GHz  B = qques 100 Mb/s - Domaine optique f = 300 THz  f = qques Tb/s Support de propagation - Espace libre Spectre radioélectrique limité (< 100 GHz) - Guides d’onde métalliques < 100 dB/km pour f ~1 GHz (l ~ 30 cm ) - Domaine optique < 1 dB/km pour l ~1 µm

3. – – Principe d’une transmission optique Emetteur Récepteur + – +

4. Multiplexeur Démultiplexeur Liaison optique longue distance Amplificateur Input data Output data Laser Modulateur LPF 50 – 100 km N sections = 1000 à 10000 km Transmission optique - support fibre - amplification optique Génération de signaux optiques - transducteur E/O :lasers à semi-conducteurs - transducteur O/E : photodiode Accroissement des capacités - augmentation du débit  limitation par dispersion, circuits électroniques - multiplexage en longueur d’onde (systèmes WDM) Le traitement tout-optique des signaux pas encore mature

5. Evolution des systèmes optiques Ruptures technologiques 1ère génération : fibre multimode (0.85µm) 2ème génération : fibre monomode (1.3 µm) 3ème génération : laser DFB 1.55 µm 4ème génération : amplification optique 5ème génération : systèmes WDM L’accroissement des capacités est « tirée » par l’innovation technologie

6. Réseaux optiques trans-océaniques

7. Plan Support de propagation - Principe de guidage Fibre multimode Fibre monomode - Phénomène de dispersion - Atténuation Composants optoélectroniques - Rappel de physique électronique - Structures de laser à semiconducteurs - Photodetecteur Amplification optique Limitations physiques et familles de systèmes Réseaux tout-optiques Perspectives

8. Support de propagationfibre optique = guide d’onde diélectrique

9. Fibre optique Phase 1 : élaboration d’une préforme Gaine en polymère Gaine en silice pure Teflon Cœur en silice Phase 2 : tirage Structure géométrique

10. Propagation guidée : Approche géométrique Réflexion totale Fcoeur = 50-80 µm n0 n2 0 n1 i c Angle d’injection maximal : Ouverture numérique

11. Fibres multimodes : dispersion intermodale Profil à saut d’indice Profil à gradient d’indice (profil parabolique) Influence de la dispersion SI : Dn = 10-2 BL = 10 Mb/s * km GI : profil parabolique, Dn = 10-2  BL > 1 Gb/s * km

12. Propagation guidée : Approche électromagnétique Equation de propagation Solutions : modes TE, TH, EH, EH (fréquence normalisée) (constante de propagation normalisée) Propagation monomode : mode fondamental HE11 Dimensions du guide imposées pour maintenir propagation monomode Fcoeur = 9 µm, Dn = 5 10-3 Domaine spectral 1.2 – 1.7 µm

13. + + = = Fibres monomodes : dispersion chromatique Dispersion chromatique - dispersion matériau (nSI = f(l)) - dispersion « guide » (profil du mode = f(l)) BL ~ 1/(D Dl) D en ps/nm/km

14. Dispersion dans les fibres monomodes Dispersion dans les fibres standard Familles de fibres Influence de la dispersion D1.3 µm ~ 1 ps/nmm/km  BL = 100 Gb/s * km D1.55 µm ~ 17 ps/nmm/km  BL = 5 Gb/s * km

15. Atténuation dans les fibres optiques • Origine • Diffusion Rayleigh • (la silice est un milieu amorphe) • - Absorption • (résonance du matériau à différents l) • Silice : Absorption IR • Ions OH- : 1.24 µm & 1.39 µm • Ions métalliques

16. Composants optiques d’extrémitésLasers à semi-conducteurs & photodiodes

17. Sources à semi-conducteurs (1) Concepts de base : Interactions onde-matière 3 types de transitions entre le niveau fondamental E1 et le niveau excité E2 entre 2 niveaux d’énergie d’un atome E2 E2 E2 E1 E1 E1 Emission stimulée - Cohérence spatiale - Cohérence temporelle Emission spontanée - Direction aléatoire - Phase aléatoire Absorption stimulée Taux d’émission Spontanée (proportionnelle à la population du niveau E2)  Stimulée (gain stimulé proportionnel à la population du niveau E2)

18. Sources à semi-conducteurs (2) • Recombinaison radiative dans les semi-conducteurs • Structure de bande d’énergie : bande de valence (trous libres), bande de conduction (e- libres) • Une transition radiative est possible si : • Conservation de l’énergie • Conservation de la quantité de mouvement Semiconducteur à gap-direct (AlGaAs, InP, …) Gap indirect Gap direct Bande de conduction Bande de conduction Electrons Ec Energie Energie Eg Ev trous Bande de valence Bande de valence Vecteur d’onde Vecteur d’onde

19. Diodes électroluminescentes (DEL) Zone P Zone N Contacts électriques Emission spontanée obtenue par recombinaison radiative Bande passante limitée par la durée de vie des porteurs (porteur = e- + trou) Diagramme de rayonnement lambertien ( rdt de couplage source-fibre = qques %) qques 10 à 100 µW de puissance optique couplée

20. Diodes laser (1) Courant injecté Zone active = Milieu amplificateur Confinement optique zone active = structure optique guidante Confinement électronique inversion de population Cavité résonnante optique Miroirs externe Faces clivées du matériau (n ~ 3-3.5) L R2 R1 En régime établi  onde stationnaire condition sur le gain : condition sur la phase :

21. Diodes laser (2) Structure typique Boitier Caractéristique P (I)

22. 2 familles de diodes laser Laser DFB Laser Fabry-Pérot gain Plusieurs modes se situent dans la courbe de gain  laser multi-l w Modes de cavité Condition d’accord de phase  laser mono-l

23. Modulation du champ optique Photodiode = détecteur quadratique  Modulation NRZ 0 1 1 1 1 0 Puissance Temps Modulation directe Modulation externe Diode laser courant d’injection Diode laser Modulateur externe données données ☺ Simplicité de mise en œuvre ☹ Influence de la dispersion ☹ Complexité de mise en œuvre ☺ Influence de la dispersion minimale

24. Modulation directe d’un laser à semi-conducteur • Equations d’évolutions • porteurs • photons • fréquence Rb = 2.5 Gb/s Variation de la fréquence optique optique n(t) (par la variation de l’indice de réfraction) Variation de la puissance optique P(t) (par la variation du gain du milieu) Indice de réfraction complexe

25. Modulateur de Mach-Zehnder Principe : - Modulateur de phase - Interféromètre MZ → Df1(t) = - Df2(t) = ± /2 Possibilité de suppression du chirp Modulateur à Electro-absorption Pas de Chirp adiabatique Chirp transitoire ajustable Data Modulation externe

26. I  ⊕ ⊖  ZCE Photodiode (~ 1 A/W à 1.55 µm) Zone P Zone N Signal : 1 photon  1 e-  I =  P Bruits : - Bruit thermique Nth = 4kT/Rch -Bruit de grenaille Nqn = 2e  P

27. Réception optique Diagramme de l’oeil En réception, un comparateur à seuil régénère le signal La présence de bruit engendre l’apparition d’erreur Seuil de réception typique

28. 3ème partie :Amplification optique

29. B P e P in out B o Signal Emission Signal spontanée Pré-amplification optique fibre photodétecteur Filtre optique Ampli Emetteur G Conclusion : pré-amplification optique  Apparition de nouvelles composantes de bruit

30. Battement Signal-ASE Battement ASE-ASE Bo Bo Nsp Nsp Emission Emission spontanée spontanée Sources supplémentaires de bruit Bo Signal Emission spontanée GPin Ä Ä OPTIQUE OPTIQUE Signal Emission spontanée Bo Bo/2 ELECTRIQUE = 42 * GPin Nsp ELECTRIQUE = 42 * NspNspBo Be Be

31. Pré-amplification optique : sensibilité du récepteur Si le gain de l ’amplificateur optique est suffisant : Sensibilité du récepteur

32. Systèmes optiques amplifiés (1) Chaine d’amplificateurs … Modélisation d’un amplificateur Amplificateur Puissance de sortie constante (fonction de puissance de pompe)  auto-contrôle automatique du gain Pout Pin Å G ASEN ampli = N ASE1 ampli Puissance signal diminuée (GL < 1) ASE Le S/B se dégrade avec le nombre d’amplificateurs

33. Systèmes optiques amplifiés (2) Accumulation de l’ASE 1 amplificateur : N amplificateurs : 2 zones de fonctionnement Zone linéaire Plancher d’erreur

34. 10 Gb/s : OSNR0.1nm = 18-21 dB 40 Gb/s : OSNR0.1nm = 25-28 dB Influence TEx & Belec Systèmes optiques amplifiés (3) Rapport S/N requis en extrémité (Influence du taux d’extinction)

35. Système optiques amplifiés (4) OSNR = 20 dB 10 Gb/s / 1000 Km : pas 100 km 10 Gb/s / 10000 Km : pas < 50 km La dégradation de OSNR est une fonction de pertes/tronçon

36. Amplificateur à fibre dopée Erbium Niveaux d’énergie de l’ion Erbium Architecture Fibre dopée Er 5-15 m E3 Transition rapide Pout Pin E2 mux mux Emission Stimulée 1550 nm Pompage 980 & 1480 nm Diode de pompe (50 – 350 mW) Diode de pompe (50 – 350 mW) E1 L’absorption d’un photon de pompe permet la transition entre les états d’énergie E1  E3 Transition rapide E3 E2 Population E2> population E1 (inversion)  émission stimulée • Gain = 20-30 dB • Pout = 13 – 23 dBm • Bande de gain • 1530-1562 nm (bande C) • 1530-1605 nm (bande L)

37. Amplificateur à fibre dopée Er3+ Evolution des populations Gain par unité de longueur sa et se : sections efficaces d’absorption/émission La courbe de gain est dépendante de l’inversion de population n2 = N2/NEr

38. Amplification Erbium en régime WDM Non-uniformité de la courbe de gain des amplificateur EDFA Solutions : • Pré-égalisation • Fibre dopée à verre fluoré EDFA • Filtre-égaliseur passif

39. Techniques d’égalisation de gain Pré-égalisation des signaux Sortie de chaîne d’EDFA Entrée Sans pré-égalisation Avec pré-égalisation Nbre d’EDFA et bande de gain réduits Egalisation du gain de l’amplificateur Output Input Mux Mux Mux Mux Pompe Pompe Pompe Pompe Techniques : réseaux photo-inscrits, films diélectriques, … Atténuation : 1 à 10 dB en fonction de la longueur d’onde et de l’architecture de l’EDFA NFtotal = NF1 + NF2 /(G1 . T) ~ NF1 si G1T >> 1

40. Multiplexage en longueur d’onde

41. EDFA Bande C EDFA Bande L Plan de fréquence Longueur d’onde de référence Spectre d’absorption cyanure d’hydrogène (H13C14N) Système de stabilisation d’une source laser (laser DFB, laser à cavité externe)

42. Technologies de multiplexage Exemple : Multiplexeur 40 canaux, 100 GHz Caractéristiques typiques - Espacements: 25 (?), 50, 100 & 200 GHz - Nbr de canaux variables : 100GHz / 8 à 80 Ch - Gabarit de filtre : flat-top ou gaussien - pertes d’insertion : 2-3 dB - PDL < 0.2 dB - Pas de dépendance à la température

43. Familles de systèmes optique

44. Familles de systèmes Fenêtre I (0.85 µm) Fibre multimode (2.5 dB/km) / Laser FP AsGa Fenêtre II (1.3 µm) Fibre monomode (0.5 dB/km) / Laser FP InP  minimum de dispersion chromatique Fenêtre III (1.55 µm) Fibre monomode (0.2 dB/km) / Laser DFB  minimum d’atténuation, amplification optique

45. Dispersion : limitation du produit débit*distance (1) Critère : élargissement de l’impulsion sf < Tb/4 (Rb = 1/Tb) Tb • Fibre multimode  dispersion intermodale • Saut d’indice BL = c/(2n1D)D = 10-2 BL = 10 Mb/s * km • Gradient d’indice BL= 2c/(n1D2)D = 10-2 BL = 1 Gb/s * km • Fibre monomode  dispersion chromatique sf = D Dl L • E = m(t) . exp(jwot + f(t))  Sopt(f)= Slaser(f)  Sm(f) • Laser FP : Slaser >> Sm (spectre d’émission  Slaser ~2-4 nm) • BL < (4D Dl )-1 • D = 1 ps/nm/km, Dl= 2 nm  BL = 125 Gb/s * km • Laser DFB : Slaser << Sm (spectre d’émission  Sm = Rb) • B2L < c /(4Dl2 ) (avec Dl~ Rb * l2/c) • D = 17 ps/nm/km, B2L = 6000 Gb2/s * km

46. Dispersion : limitation du produit débit*distance (2)

47. Familles de systèmes • 1ère génération : fibre multimode 0.85 µm • R < 50 Mb/s  liaisons très courtes distances • Limitation par l’atténuation • Faible bande passante • Application : réseaux locaux (  technologies bas coût) • 2ème génération : fibre monomode • R < 560 Mb/s  Liaisons courtes distances • Dispersion chromatique faible à 1.3 µm • Utilisation de laser FP • Application: réseaux d’accès (< 50 km) • 3ème génération : laser mono-longueur d’onde (structure DFB) • R < 2.5 Gb/s  Liaison moyennes distances • Dispersion chromatique élevée à 1.55 µm • Modulation directe de laser DFB • Application: réseaux métropolitains (< 150 km)

48. Minimisation de la dispersion chromatique • La distance maximale transmissible d’une liaison amplifiée • est limitée par la dispersion chromatique de la fibre. • Utilisation de fibres à dispersion décalées : • Dguide et Dmatériau sont de signe opposé • La dispersion guide est déterminée par le profil d’indice du cœur • La dispersion guide est « exacerbée »  dispersion totale faible 1.55 µm SMF 17 ps/nm/km DSF < 0.1 ps/nm/km NZ-DSF 4-8 ps/nm/km DCF ~ -100 ps/nm/km 4ème génération : systèmes mono-l (amplification en ligne, fibre DSF)  Systèmes trans-océaniques 5 Gb/s > 10 000 km

49. Systèmes WDM à gestion de dispersion Suppression de la dispersion accumulée Fibre de ligne Fibre de compensation D L + Dcomp*Lcomp = 0 5ème génération : systèmes WDM longue distance 50 – 100 km Limitation : bruits des EDFAs, effets non-linéaires (interaction NL entre canaux Performances : 1000 à >10000 km en fonction du pas d’amplification

50. Réseaux tout optiques