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Fibres Optiques

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  • Montpellier IIUniversit

    Tlcommunications optiques

    Yves MOREAU, Universit Montpellier II

    WDM, Baets, univ.Gent

    Cours M2

  • Montpellier IIUniversit

    Plan du cours Les tlcommunications par fibres optiques

    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)

  • Montpellier IIUniversit

    Free investit 1 milliard d'euros dans la fibre optique

    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.

    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.

  • Montpellier IIUniversit

    Loptique pour les tlcommunications

    Trs faible attnuation (0 .1 dB/ km),

    Trs large bande passante (25 THz)

    Faible poids, trs petite taille

    Scurit lectrique : isolation totale entre terminaux, utilisation en ambiance explosive insensible et non gnrateur de parasites,

    Inviolabilit

    Avantage conomique : infrieur au systme de cuivre, progrs au niveau des raccordements.

  • Montpellier IIUniversit

    La communication optique, voire le multiplexage enlongueur donde (WDM) sont de vieilles ides !

    R Horaky (le Soleil midi) transmet un faisceau lumineux multicolore Tapret(800-900 B.C.)Le Louvre, Paris

    Avant-hier !

  • Montpellier IIUniversit

    Le renouveau de loptique : deux inventions(Schawlow,1957)

    Laser CO 10,6m absorb, volumineux

    Laser AlGaAs (1969)

    Source de lumire cohrente: le laser

  • Montpellier IIUniversit

    Cohrence

    La lumire est constitue dune suite de trains dondes

    Plus les trains sont longs, plus la lumire est dite cohrente

    Lc = /()

    Cette cohrence est dite temporelle

    Cohrence spatiale : source = ensemble de points en phase => faible divergence

    Nota : = c/ (1.5 m2 1014Hz)d = -cd/ (10 GHz 0,8 nm)

  • Montpellier IIUniversit

    Autre avance : la fibre optique

    1970: fibre de silice < 20 dB/km Aujourdhui, 0.15 dB/km seulement de pertes

    1,55 m

    Gaine optique 125 msilice pure

    Gaine de protection 250 mpolymre

    Cur qq msilice dope Ge

    r

    z

    Gaine optique 125 msilice pure

    Gaine de protection 250 mpolymre

    Cur qq msilice dope Ge

    r

    z

  • Montpellier IIUniversit

    Domaines dutilisation

    Tlcommunications : Liaisons urbaines et interurbaines (grande capacit), liaisons sous-marines

    Vidocommunications Liaison et rseaux de donnes Liaisons industrielles Capteurs et instrumentation

  • Montpellier IIUniversit

    Tlcommunications : produit dbit x distance (Gbits/s*km)

    Aujourdhui :qq Terabits sur tronons de 100 km

    Laser 1.3 m et fibres unimodales

    Laser 0.8 m et fibres multimodes

    Lasers unimodaux 1.55 m

    Amplificateurs fibres dopes erbium

    105

    104

    103

    102

    101

    1001974 1982 1990 19941978 1986

  • Montpellier IIUniversit

    Fibres et guides optiques

    Fibre circulaire Guide en arte Guide diffusGuide enterr

    Guide plan

  • Montpellier IIUniversit

    Propagation optique

    Vibration (temps)

    Propagation (espace)

    localement courbure (drive seconde) maximale

    Pour une onde plane Ex = Eo*exp(j(t -kz))

    z

    Nombre donde k= 2/

    Vitesse de phase v = /k

  • Montpellier IIUniversit

    Indice de rfraction

    Raccourcissement de la priode avec lindice, diminution de la vitesse de phase V =/k

    k= = ko*n=2/o *n, Z=Zo/n

    Si milieu htrogne, londe propage est associe un indice effectif de valeur intermdiaire

    Onde lectromagntique : E et H

    Rapport E/H = Impdance Z

    Vide : Zo=Eo/Ho=377

    E(x,y)*cos(t-z)= E(x,y)*cos((t+t)-(z+z)) si z = / t

  • Montpellier IIUniversit

    coeur

    La lumire est pige dans la zone dindice un peu plus lev

    Paramtre de guidage :nc-ng2 ng

    = =nc-ngng

    Guidage fort dautant plus que est grandFrquence normalise : V = 2 a/ nsub 2

    Mcanismes de guidage

    a = rayon du cur (fibre), paisseur (guide rectangulaire)

  • Montpellier IIUniversit

    A

    T

    B

    Rflexion totale aux interfaces, en fait au voisinage ( Gooth Hanchen )Rayons en phase aprs une double rflexion

    Approche gomtriqueModes associs langle dincidence

    Dans un guide, plusieurs milieux

    C

    Indice effectif = ng*cos(m), m ordre du mode

    Propagation dans un guide

  • Montpellier IIUniversit

    Fibre optique: ouverture numrique

    A

    i1

    i2

    n1. cos c = n1.sin i1= n2 sin i2 ( et i1 complmentaire) et pour i2 limite (= 90) n1 cos c =n2=n1 (1-c2)

    n1 n1 sinc = n2 => n1 sin c = (n1-n2+n2) - n2=ON=sinA= n1 sin c = n1 2 (n1-n2)/n2

  • Montpellier IIUniversit

    Fibre multimode gradient dindice

    n(r)= n1a

    1 2 (r/a)

    Ouverture numrique plus faible (ON ~0,2) => 2 fois moins de puissance couple

  • Montpellier IIUniversit

    Fibres optiques : modesFibre optique : guide circulaire.

    Calcul en coordonnes cylindriques (r,,z)

    E (Laplacien(E))= oon E / t

    E(r) solutions en fonctions de Bessel J

    Odre azimutal : dphasage de 2 sur un tour

    = 0 => modes TEom ou TMom, sinon modes hybrides HEm HMm

    Nombre de modes : V/2 (saut dindice) et V/4 (gradient) avec V=2 r/o n1-n2

  • Montpellier IIUniversit

    Quelques modes dans les fibres

    LP02

    LP01

    ),(202 r ),(202 r

    LP02

    ),(201 r

    LP01

    ),(212 r

    xy

    impair

    ),(221 r

    xy

    impair

    LP12

    LP21

    pair

    pair

    LPmn o m => cos(m) et n=nb dextrema en r

    Champ lectromagntique en m et

  • Montpellier IIUniversit

    Dispersion fibres multimodes Fibres gradient dindice

    Fibres saut dindice

    t

    -3 dB

    f

    Bandes passantes

    BP = 1 / (2 im) = im + c ~ ON/2n1c

    BP*km = qq MHz.km (saut dindice), qq centaines MHz.km

  • Montpellier IIUniversit

    Vitesse de groupeVitesse de propagation de linformation (de lenveloppe) Vg=d/d [V=/]

  • Montpellier IIUniversit

    Fibre unimodale

    V < 2,4 2 wo

    => Peu de dispersion, dispersion chromatique seulement.

    Faibles dimensions

  • Montpellier IIUniversit

    Dispersion chromatiquec = Dc L avec Dc = DM + DG en ps/nm/km

    Dc (ps/nm/km)

    1,2 1,4

    Dispersion matriauFibre standardFibre dispersion dcale

    DG= (n1 n2)/c . 2/V pour 1.7< V < 2.4

    DM=-o dn1c do

  • Montpellier IIUniversit

    Attnuation des fibres optiques

    Longueur donde (m)

    Att

    nuat

    ion

    (dB

    /km

    )

    0,2

    0,52

    1.4 1.61.21.00.8

    0.1

    0.5

    1

    510

    50 Courbe exprimentale

    Diffusion Rayleigh Absorptionmultiphonon

    Longueur donde (m)

    Att

    nuat

    ion

    (dB

    /km

    )

    0,2

    0,52

    1.4 1.61.21.00.8

    0.1

    0.5

    1

    510

    50 Courbe exprimentale

    Diffusion Rayleigh Absorptionmultiphonon

    P(L) = Po 10-L/10

  • Montpellier IIUniversit

    instrumentation infra-rouge

    tlcom longue distance

    Tlcom moyenne distance, rseaux informatiques

    transmission courte distance

    transport d'nergieclairage, visualisation, transmission courte

    Applications

    trs dlicate

    Gradient dindicerelativement facile

    dlicatetrs facileMise en uvre

    trs cher

    assez levassez faibleassez levmoyenfaibleCot des systmes

    fragilebonne si protgelimitesouple mais dformable

    rsistance mcanique

    500502010Bande passante (MHz km)

    0.20.30.40.5Ouverture numrique

    0.7-20.2 1.550.8-1.60.8-1.60.7-10,45-0,70 utiliss (m)

    1 2.5m, thor. < 0,01

    0.5 1.33 0,85 0,9 1.3 m2-55-10200Attenuation (dB/km)

    7-9/12550/125100/140200/380980/1000Diamtre cur/gaine (m)

    Verres fluors

    Silice (cur dopGermanium)Monomode

    Silice (cur dopGermanium)Gradient dindice

    Silice (cur dopGermanium)Saut dindice

    Silice(cur)/silicone-gaine)

    plastiqueMatriaux

  • Montpellier IIUniversit

    Fabrication des fibres

    La synthse des matriaux est ralise par oxydation en phase vapeur. On obtient :

    de la silice : de loxyde de germanium : de loxyde de phosphore : de loxyde 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 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.

  • Montpellier IIUniversit

    Pertes de courbure

    Pour conserve

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