Fibres Optiques

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Fibres Optiques

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<ul><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Tlcommunications optiques</p><p>Yves MOREAU, Universit Montpellier II</p><p>WDM, Baets, univ.Gent</p><p>Cours M2</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Plan du cours Les tlcommunications par fibres optiques </p><p>I-Fibres et guides optiques II- Les sources III- les photodtecteursIV-amplification optique IV-Fonctions optiques (coupleurs, isolateurs, filtres passifs, multiplexage, modulateurs externes ...) V-Signaux et systmes de transmission sur fibre optique (codages, modulations, non linarits, WDM, FDM...) VI- techniques de transmission dans les rseaux de tlcommunications (hirarchie numrique, cbles sous-marins, rseau terrestre, transmissions locales, distribution) </p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Free investit 1 milliard d'euros dans la fibre optique</p><p> e fournisseur d'accs Internet (FAI) Free a dcid de se lancer dans le trs haut dbit. Lundi 11 septembre, il a annoncqu' compter du premier semestre 2007, il commercialiserait une offre 50 mgabits par seconde, reposant sur la fibre optique, pour 29,99 euros par mois. Aujourd'hui, l'ADSL permet des dbits s'levant au maximum 28 mgabits.</p><p> Concrtement, ce rseau passera sous les rues - Paris, par exemple, dans les gouts -, puis, aprs accords avec les syndics, la fibre optique sera installe directement chez le client. C'est ce que l'on appelle le FTTH, pour fibre optique jusqu' l'abonn. Il suffit ensuite de remplacer les botiers ADSL par des botiers optiques. </p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Loptique pour les tlcommunications</p><p>Trs faible attnuation (0 .1 dB/ km),</p><p>Trs large bande passante (25 THz)</p><p>Faible poids, trs petite taille</p><p>Scurit lectrique : isolation totale entre terminaux, utilisation en ambiance explosive insensible et non gnrateur de parasites,</p><p>Inviolabilit</p><p>Avantage conomique : infrieur au systme de cuivre, progrs au niveau des raccordements.</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>La communication optique, voire le multiplexage enlongueur donde (WDM) sont de vieilles ides !</p><p>R Horaky (le Soleil midi) transmet un faisceau lumineux multicolore Tapret(800-900 B.C.)Le Louvre, Paris</p><p>Avant-hier !</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Le renouveau de loptique : deux inventions(Schawlow,1957)</p><p>Laser CO 10,6m absorb, volumineux</p><p>Laser AlGaAs (1969)</p><p>Source de lumire cohrente: le laser</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Cohrence</p><p>La lumire est constitue dune suite de trains dondes</p><p>Plus les trains sont longs, plus la lumire est dite cohrente</p><p>Lc = /()</p><p>Cette cohrence est dite temporelle </p><p>Cohrence spatiale : source = ensemble de points en phase =&gt; faible divergence</p><p>Nota : = c/ (1.5 m2 1014Hz)d = -cd/ (10 GHz 0,8 nm)</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Autre avance : la fibre optique</p><p> 1970: fibre de silice &lt; 20 dB/km Aujourdhui, 0.15 dB/km seulement de pertes </p><p> 1,55 m </p><p>Gaine optique 125 msilice pure</p><p>Gaine de protection 250 mpolymre</p><p>Cur qq msilice dope Ge</p><p>r</p><p>z</p><p>Gaine optique 125 msilice pure</p><p>Gaine de protection 250 mpolymre</p><p>Cur qq msilice dope Ge</p><p>r</p><p>z</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Domaines dutilisation</p><p> Tlcommunications : Liaisons urbaines et interurbaines (grande capacit), liaisons sous-marines </p><p> Vidocommunications Liaison et rseaux de donnes Liaisons industrielles Capteurs et instrumentation </p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Tlcommunications : produit dbit x distance (Gbits/s*km)</p><p>Aujourdhui :qq Terabits sur tronons de 100 km</p><p>Laser 1.3 m et fibres unimodales</p><p>Laser 0.8 m et fibres multimodes</p><p>Lasers unimodaux 1.55 m</p><p>Amplificateurs fibres dopes erbium</p><p>105</p><p>104</p><p>103</p><p>102</p><p>101</p><p>1001974 1982 1990 19941978 1986</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Fibres et guides optiques</p><p>Fibre circulaire Guide en arte Guide diffusGuide enterr</p><p>Guide plan</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Propagation optique</p><p>Vibration (temps)</p><p>Propagation (espace)</p><p>localement courbure (drive seconde) maximale</p><p>Pour une onde plane Ex = Eo*exp(j(t -kz)) </p><p>z</p><p>Nombre donde k= 2/</p><p>Vitesse de phase v = /k</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Indice de rfraction</p><p>Raccourcissement de la priode avec lindice, diminution de la vitesse de phase V =/k</p><p>k= = ko*n=2/o *n, Z=Zo/n </p><p>Si milieu htrogne, londe propage est associe un indice effectif de valeur intermdiaire</p><p>Onde lectromagntique : E et H</p><p>Rapport E/H = Impdance Z</p><p>Vide : Zo=Eo/Ho=377 </p><p>E(x,y)*cos(t-z)= E(x,y)*cos((t+t)-(z+z)) si z = / t </p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>coeur</p><p>La lumire est pige dans la zone dindice un peu plus lev</p><p>Paramtre de guidage :nc-ng2 ng</p><p> = =nc-ngng</p><p>Guidage fort dautant plus que est grandFrquence normalise : V = 2 a/ nsub 2 </p><p>Mcanismes de guidage</p><p>a = rayon du cur (fibre), paisseur (guide rectangulaire)</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>A</p><p>T</p><p>B</p><p>Rflexion totale aux interfaces, en fait au voisinage ( Gooth Hanchen )Rayons en phase aprs une double rflexion</p><p>Approche gomtriqueModes associs langle dincidence</p><p>Dans un guide, plusieurs milieux</p><p>C</p><p>Indice effectif = ng*cos(m), m ordre du mode </p><p>Propagation dans un guide</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Fibre optique: ouverture numrique</p><p>A</p><p>i1</p><p>i2</p><p>n1. cos c = n1.sin i1= n2 sin i2 ( et i1 complmentaire) et pour i2 limite (= 90) n1 cos c =n2=n1 (1-c2)</p><p>n1 n1 sinc = n2 =&gt; n1 sin c = (n1-n2+n2) - n2=ON=sinA= n1 sin c = n1 2 (n1-n2)/n2 </p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Fibre multimode gradient dindice</p><p>n(r)= n1a</p><p>1 2 (r/a)</p><p>Ouverture numrique plus faible (ON ~0,2) =&gt; 2 fois moins de puissance couple </p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Fibres optiques : modesFibre optique : guide circulaire.</p><p>Calcul en coordonnes cylindriques (r,,z) </p><p>E (Laplacien(E))= oon E / t</p><p>E(r) solutions en fonctions de Bessel J</p><p>Odre azimutal : dphasage de 2 sur un tour </p><p> = 0 =&gt; modes TEom ou TMom, sinon modes hybrides HEm HMm</p><p>Nombre de modes : V/2 (saut dindice) et V/4 (gradient) avec V=2 r/o n1-n2</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Quelques modes dans les fibres</p><p>LP02</p><p>LP01</p><p>),(202 r ),(202 r</p><p>LP02</p><p>),(201 r</p><p>LP01</p><p>),(212 r</p><p>xy</p><p>impair</p><p>),(221 r</p><p>xy</p><p>impair</p><p>LP12</p><p>LP21</p><p>pair</p><p>pair</p><p>LPmn o m =&gt; cos(m) et n=nb dextrema en r</p><p>Champ lectromagntique en m et </p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Dispersion fibres multimodes Fibres gradient dindice </p><p>Fibres saut dindice </p><p>t</p><p> -3 dB </p><p>f </p><p>Bandes passantes</p><p>BP = 1 / (2 im) = im + c ~ ON/2n1c</p><p>BP*km = qq MHz.km (saut dindice), qq centaines MHz.km</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Vitesse de groupeVitesse de propagation de linformation (de lenveloppe) Vg=d/d [V=/]</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Fibre unimodale</p><p>V &lt; 2,4 2 wo</p><p>=&gt; Peu de dispersion, dispersion chromatique seulement.</p><p>Faibles dimensions</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Dispersion chromatiquec = Dc L avec Dc = DM + DG en ps/nm/km</p><p>Dc (ps/nm/km)</p><p>1,2 1,4</p><p>Dispersion matriauFibre standardFibre dispersion dcale</p><p>DG= (n1 n2)/c . 2/V pour 1.7&lt; V &lt; 2.4 </p><p>DM=-o dn1c do</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Attnuation des fibres optiques</p><p>Longueur donde (m) </p><p>Att</p><p>nuat</p><p>ion </p><p>(dB</p><p>/km</p><p>) </p><p>0,2</p><p>0,52</p><p>1.4 1.61.21.00.8</p><p>0.1</p><p>0.5</p><p>1</p><p>510</p><p>50 Courbe exprimentale</p><p>Diffusion Rayleigh Absorptionmultiphonon</p><p>Longueur donde (m) </p><p>Att</p><p>nuat</p><p>ion </p><p>(dB</p><p>/km</p><p>) </p><p>0,2</p><p>0,52</p><p>1.4 1.61.21.00.8</p><p>0.1</p><p>0.5</p><p>1</p><p>510</p><p>50 Courbe exprimentale</p><p>Diffusion Rayleigh Absorptionmultiphonon</p><p>P(L) = Po 10-L/10</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>instrumentation infra-rouge</p><p>tlcom longue distance</p><p>Tlcom moyenne distance, rseaux informatiques</p><p>transmission courte distance</p><p>transport d'nergieclairage, visualisation, transmission courte</p><p>Applications</p><p>trs dlicate</p><p>Gradient dindicerelativement facile</p><p>dlicatetrs facileMise en uvre</p><p>trs cher</p><p>assez levassez faibleassez levmoyenfaibleCot des systmes</p><p>fragilebonne si protgelimitesouple mais dformable</p><p>rsistance mcanique</p><p>500502010Bande passante (MHz km)</p><p>0.20.30.40.5Ouverture numrique</p><p>0.7-20.2 1.550.8-1.60.8-1.60.7-10,45-0,70 utiliss (m)</p><p>1 2.5m, thor. &lt; 0,01</p><p>0.5 1.33 0,85 0,9 1.3 m2-55-10200Attenuation (dB/km)</p><p>7-9/12550/125100/140200/380980/1000Diamtre cur/gaine (m)</p><p>Verres fluors</p><p>Silice (cur dopGermanium)Monomode</p><p>Silice (cur dopGermanium)Gradient dindice</p><p>Silice (cur dopGermanium)Saut dindice</p><p>Silice(cur)/silicone-gaine)</p><p>plastiqueMatriaux</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Fabrication des fibres</p><p>La synthse des matriaux est ralise par oxydation en phase vapeur. On obtient :</p><p> de la silice : de loxyde de germanium : de loxyde de phosphore : de loxyde de </p><p>bore :</p><p>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+ +</p><p>On chauffe les gaz ractifs dans un tube de silice tournant autour de son axe et, en fonction des gaz introduits dans le tube,On dpose des couches dont on peut faire varier lindice :le germanium ou le phosphore augmentent lindice,le bore ou le fluor le diminuent.</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Pertes de courbure</p><p> Pour conserver une propagation avec surfaces de phase planes perpendiculaires laxe de propagation, la vitesse du champ lextrieur devrait tre plus importante, voire dpasser la vitesse de la lumire =&gt; la partie du champ extrieur ne participe pas la propagation. Rayon diminu de a/ =&gt; pertes multiplies par eExemple :a = 4m, D=4.10-3 , R diminu de 1 cm =&gt; pertes x 104</p><p>Attnuation de courbure: phnomne seuilFibres standard : Rayon de qq cm tolr</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Fabrication dune prforme (CVD)</p><p> Raction chimique et formation de suies. </p><p> Dpt de suies. Vitrification du dpt. </p><p>extractionractifsgazeux</p><p>chalumeaumobile</p><p>1700</p><p>1</p><p>23</p><p>Dpot de la gaine</p><p>25 mm</p><p>Dpot du coeur</p><p>extractionractifsgazeux</p><p>chalumeaumobile</p><p>1700</p><p>123</p><p>2000</p><p>Rtreint</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Soudeuse fibre</p><p>Revtement polymre Fibre nue</p><p>Support</p><p>lectrode</p><p>Avant soudure</p><p>Aprs soudure</p><p>Revtement polymre Fibre nue</p><p>Support</p><p>lectrode</p><p>Avant soudure</p><p>Aprs soudure</p><p>Perte estime: 0.1 dB</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Schma dune tour de fibrage</p><p>Four</p><p>Prforme</p><p>Mesure dudiamtre</p><p>Correctionde la Vitesse</p><p>denroulement</p><p>Enducteur derevtements polymre</p><p>Four depolymrisation</p><p>Moteurdentranement</p><p>Tambour derception</p><p>Fibre</p><p>Four</p><p>Prforme</p><p>Mesure dudiamtre</p><p>Correctionde la Vitesse</p><p>denroulement</p><p>Enducteur derevtements polymre</p><p>Four depolymrisation</p><p>Moteurdentranement</p><p>Tambour derception</p><p>Fibre</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Connecteurs pour fibres</p><p>FC/PC</p><p>E2000/APC</p><p>ST</p><p>SC/APC</p><p>Frule</p><p>Frule</p><p>Frule</p><p>Fibre nueFruleFace polie</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Aux extrmits des fibres</p><p> Les circuits optiques Les sources Les photodtecteurs</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Double Phasar X connect (Herben et al.,TU Delft)</p><p>1 mm</p><p> LOptique intgre (Miller 1969)</p><p>Le circuit optique intgr a pour but de raliser une fonction (filtre, couplage, etc .) et non de transmettre sans perte (fibres) </p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>nc</p><p>Optique intgre : des guides de lumire</p><p>Guide enterr (buried) : par exemple : change dions sur substrat de verre, ou matriau organique polymrislocalement</p><p>Guide en relief (ridge):</p><p>5 m</p><p>La lumire est guide dans la zone dindice plus lev</p><p>10 m</p><p>nc</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Fabrication de guides d'ondes LiNbO3 par diffusion de Titane</p><p>1</p><p>2</p><p>3</p><p>4</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>De nombreux matriaux possibles :</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Guides largeur limite</p><p>ns</p><p>ng</p><p>nc</p><p>Modes : profils (en fonction de linjection)</p><p>Guide relief (ridge)</p><p>Guide enterrGuide canal</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Diviseurs</p><p>Quelques circuits optiques de base</p><p>coupleurs</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Exemple : interfromtre Mach Zehnder</p><p>(J+1/2)*/nep = J* /nei ,J entierDphasage de = coupure </p><p>Beaucoup utilis : la longueur dun bras ou lindice dans un bras peut varier avec la temprature, une tension lectrique etc </p><p>=&gt; Modulateurs, capteurs</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>WDM coupleurs en toile</p><p>PHASARCoupleur en </p><p>toile dentreCoupleur en </p><p>toile de sortie</p><p>Cercles de Rowland</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Cercles de Rowland</p><p>WDM coupleurs en toile</p><p>Ordre des couleurs par longueur donde : Ordre des couleurs en sortie pour lentre centrale : </p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Isolateur rotateur Faraday</p><p>polariseur polariseur</p><p>H</p><p> = 45</p><p>Sens passant</p><p>Sens bloquant</p><p>1 23</p><p>Pertes importantes</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Insertion/Extraction avec coupleurs</p><p>1 m N</p><p>m</p><p>m</p><p>50/50 Rseauxde Bragg</p><p>50/50</p><p>m 1 N</p><p>1</p><p>2</p><p>3</p><p>4</p><p>Extraction en 2, insertion en 3</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Rseaux de Bragg</p><p>Structure priodique avec alternances de couches (&lt; 1m) fort et faible indice</p><p>1.. n</p><p>bFiltre en longueur donde Distributeur de lumire</p><p>Lentille intgre dflecteur focalisation</p><p>Entre-sortie</p><p>couplage</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>(D)multiplexeur rseaux</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Modulation externe avec Mach Zehnder</p></li><li><p>Montpellier IIUniversit</p><p>Conclusion</p><p>Loptique est une vieille science qui connat son renouveau</p><p>en Tlcoms (performances des fibres et puces optiques) </p><p>en mesure (capteurs, dtecteurs, analyse)</p><p>Merci de votre attention!</p><p>La photonique est dans le sillon des nanotechnologies</p><p>Loptique propose des solutions? Reste trouver les problmes !</p><p>www.cem2.univ-montp2.fr/~moreau/</p><p>Photonic crystal laser, Y-H Lee et al, Science 305, 1444(2004)</p></li></ul>

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