OPTO-ELECTRONIQUE

1. OPTO-ELECTRONIQUE Composants photoniques et fibres optiques Serge MONNERET Institut Fresnel – CNRS – Marseille serge.monneret@fresnel.fr tel : 04 91 28 80 52

2. Contenu du cours - Plan • Fibres optiques • Introduction • Propagation dans les fibres optiques • Fibre à saut d'indice / à gradient d'indice • La fibre réelle : dispersion - atténuation • Fabrication des fibres optiques • Câbles à fibres optiques • Sources lumineuses • Détecteurs de lumière • Réseaux de communications optiques

3. Rappel : types de fibres Fibre à saut 200/380 grande dispersion BP = 10-50 Mhz / km Fibre à gradient 62.5/125 universités 50/125 télécoms locales BP = 200-1500 MHz / km Fibre à saut 200/380 10/125 télécom grande distance BP > 10 Ghz / km

4. Dispersion et atténuation dans les FO

5. Dispersion propagation dans la fibre Deux types de dispersion : 1- Dispersion chromatique n = n(l) donc v = c/n = v(l) 2- Dispersion intermodale v = f(mode) Fibre monomode : uniquement dispersion chromatique Fibre multimode : dispersion chromatique + intermodale

6. Dispersion intermodale saut d'indice : DtSI = L (ON)2 / (c.nc) avec O.N.  nc (2D)1/2 gradient d'indice : Dtgr L ncD2 / (8c) (gradient optimal) DtSI / Dtgr16 / D A.N. nc = 1.5 D = 0.01 L = 1 km DtSI = 100 ns d'où BP = 10 MHz Dtgr = 0.06 ns d'où BP = 16 GHz

7. Dispersion chromatique SMF = Single Mode Fiber Fibres actuelles optimisées : Dt = quelques ps km-1 nm-1 autour de 1.3 µm

8. Dispersion chromatique

9. Affaiblissement du signal Définition de l'atténuation : Si l'on injecte une puissance lumineuse Po à l'extrémité d'une fibre, on ne récupère qu'une fraction P1 de Po à l'autre extrémité. L'atténuation de la fibre est le rendement exprimé en décibel sous la forme A (dB) = 10 Log10 (P1 / P0) Rappels : A = 0 dB : P2 = P1 A = -1 dB : P2 = P1/1.26 A = -3 dB : P2 = P1/2 A = -20 dB : P2 = P1/100 Rq : dBm : valeur de P2 lorsque P1 = 1 mW 0 dBm = 1 mW -10 dBm = 0.1 mW

10. Origines de l'atténuation • Pertes par ABSORPTION • Pertes par DIFFUSION • Autres (couplage)

11. Mécanismes de l'absorption • Pertes par ABSORPTION • Absorption intrinsèque : interaction lumière/silice • 0.1 dB/km pour l = 0.8 µm • 0.02 dB/km pour l = 1.5 µm • 1 dB/km pour l = 1.8 µm • Absorption extrinsèque : interaction lumière/impuretés • 130 dB/km pour l = 0.85 µm pour 1 ppm de Fe • 60 dB/km pour l = 1.38 µm pour 1 ppm d'OH-

12. Mécanismes de la diffusion Diffusion Rayleigh : l > diamètre des défauts Elle provient des variations de l'indice de réfraction du matériau sur des longueurs inférieures à la longueur d'onde de la lumière ; elle se traduit par une perte de puissance lumineuse inversement proportionnelle à l4 (loi de Rayleigh) Diffusion de Mie : l < diamètre des défauts

13. Atténuation des fibres de silice Relevé expérimental de l'atténuation en fonction de l absorption OH 60 dB/km pour 1 ppm Décroissance d'ensemble en l-4 : diffusion Rayleigh

14. Atténuation des fibres de silice

15. Quelques caractéristiques de fibres commerciales

16. Les pertes aux épissures

17. Les grandes classes de connexion

18. Les différents types de verre • a) Les divers types de verre • b) Le matériau • Les verres à composants multiples • Ils sont élaborés à partir de la silice à laquelle sont rajoutés des oxydes ou des carbonates le tout étant fondu dans un creuset en platine • Méthode du double creuset • Méthode du ‘ barreau dans le tube ’ • Les verres à haute teneur en SiO2 • Ils sont obtenus par oxydation en phase vapeur de particules de SiCl4. • La variation d ’indice est obtenue par dopage, en proportion contrôlées, avec des oxydes tels que GeO2 (oxyde de Germanium), P2O5 (oxyde de Phosphore), B2O3 (oxyde de Bore) ou SiF4 (fluorure de silicium) transparence exceptionnelle !!

19. La préforme En fabrication, tout commence par ce qu'on appelle la préforme. Une préforme est un tube en verre possédant les propriétés géométriques et optiques qui devront être celles de la fibre in fine. De chaque préforme naîtra une centaine de kilomètres de fibre optique. La préforme est l'image de la fibre optique (coefficient 320)

20. Obtention de préformes en verres à composants multiples barreau dans le tube double creuset

21. Méthode d'oxydation en phase vapeur (CVD)

22. Préforme à gradient d'indice distribution du germanium par imagerie X

23. Le fibrage T° constante = 2100 °C précision : 0.5 µm

24. Le fibrage vitesse de fibrage : de 80 à 120 m / min

25. Fibres optiques plastiques Autre solution : verre + plastique A = 10 dB / km

26. Fibres à maintient de polarisation

27. Fibres à cristaux photoniques

28. Les câbles à fibres optiques • Câble monofibre • La fibre est placée dans un tube de 900 microns de diamètre en gel de silicone puis renforts kevlar / plastique • Câbles à structure serrée • Câbles à structure libre ou tubée Ces câbles sont un assemblage de câbles monofibre autour d ’un renfort central Une ou plusieurs fibres nues sont placées dans un tube extrudé

29. Les câbles à fibres optiques Structure en jonc rainuré : L ’élément central est un jonc cylindrique rainuré en plastique extrudé autour d ’un porteur central en fils d ’acier torsadés. Chaque jonc peut avoir 5 à 12 rainures et chaque rainure peut contenir une ou plusieurs fibres. Par assemblage de joncs, on peut fabriquer des câbles contenant jusqu ’à 1000 fibres.

30. Prix des composants Fibres optiques, catalogue général électronique 2005 : plastique diam 1 mm, gaine 2.2 mm, indice = 1.492, 150 dB/km @650 nm 175 € / 100m Silice à gradient d'indice, diam gaine ext = 2.8 mm rayon de courbure dynamique : 50 mm rayon de courbure statique : 30 mm 50/125, BP > 350 MHz.km : 280 € pour 100 m 62.5/125, BP > 160 MHz.km : 290 € pour 100 m Module Laser @ 670 nm (fibres plastiques) 1 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 17.60 € TTC 5 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 18.60 € TTC durée de vie : 50000 H diamètre spot : 10 mm à 30 m