50 ans d

u laser

Institut Carnot Bourgogne

25 No

vemb

re 2010A

nn

ée Mo

nd

iale d

e la Ph

ysiqu

e 2005

Institut Carnot de Bourgogne

An

née M

on

diale

de la P

hysiq

ue 2005

Des lasers et des fibres :des outils pour communiqueret pour l’optique non-linéaire

Christophe FINOT

UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010

50 ans d

u laser

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Plan

Charles KAO

6 Octobre 2009

50 ans d

u laser

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Moyen de manipuler la lumière via l’optique non-linéaire

Laser et Fibre

Moyen de communiquer vite et loin

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phare d'Alexandrie signaux de fumée télégraphe chappe

Communiquer avec la lumière

Annoux (Yonne)Forêt de Reppe

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émetteur

récepteur

milieu de propagation

code

Les éléments des communications

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émetteur

récepteur

milieu de propagation

code

Les éléments des communications

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émetteur récepteurmilieu de propagation

code

Le code

Le code utilisé : le langage binaire

Le message à transmettre (texte, image, son, vidéo) est décomposé en une succession de 0 et de 1 .

‘le codage informatique’

0100101101101010010110110001110010101110110010010110110101001011011000111001010111011010001101101001001110101011001110101101101001010100101101110101110111001110010110110101001011011000111001010111011010001101101001001110101011000011101010110011101011011010010101001011011101011101110011 …

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émetteur récepteurmilieu de propagation

code

Le code

Le code utilisé : le langage binaire

Le message à transmettre (texte, image, son, vidéo) est décomposé en une succession de 0 et de 1 .

0 : absence de lumière1 : présence de lumière, impulsion lumineuse

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émetteur récepteurmilieu de propagation

code

Le code

Le code utilisé : le langage binaire

0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0

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émetteur récepteurmilieu de propagation

code

L’émetteur

L’émetteur : une source Laser

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émetteur récepteurmilieu de propagation

code

Le récepteur

Le récepteur : une photodiode

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émetteur récepteurmilieu de propagation

code

Le milieu de propagation

Le milieu de propagation :

L’air

Les faisceaux lumineux se propagent en ligne droiteAbsorption éventuelle du faisceauInfluence des conditions météorologiques

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émetteur récepteurmilieu de propagation

code

Le milieu de propagation

Le milieu de propagation :

L’air

La fibre optique

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Gaine

Cœur

Principe des fibres optiques

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re 2010John Tyndall (XIXe siècle)

Expérience de la Fontaine lumineuse

la lumière se propage par réflexiontotale interne dans le jet d'eau(l'indice de l'eau est supérieur à celui de l'air)

La fontaine de Tyndall

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re 2010

1964 : Première publication scientifique proposant l'utilisation des fibres optiques pour guider la lumière

Les premières fibres optiques

1966 : Charles KAO propose les fibres pour les transmissions optiques sur plusieurs kilomètres

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Faibles pertes

Transmission sécurisée

Débit important

Les atouts de la fibre optique

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Année Pertes(dB/km)

Longueurd'onde (nm)

1/2 de l’énergieperdue après

Entreprise

1970 20 150 m Corning Glass Work

1974 2 - 3 1 060 1 km ATT, Bell Labs

1976 0,47 1 200 6 km NTT, Fujikura

1979 0,20 1 550 15 km NTT

1986 0,154 1 550 20 km Sumitomo

Les pertes dans les fibres optiques

Les fibres optiques ont des pertes très réduites

Travailler à des longueurs d’ondes de l’infrarouge

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Les télécommunications nationales

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Début 1999 : Plus de 215 millions de kilomètres de fibre optique installés = 280 allers-retours de la Terre à la Lune.

Les télécommunications longues distances

50 ans d

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Distance et débit

Déb

it

x D

ista

nce

(bit.

km/s

)

Année

x 10 tous les 4 ansx 2 tous les ans

50 ans d

u laser

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25 No

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Distance et débit

Déb

it

x D

ista

nce

(bit.

km/s

)

Année

Augmentation de la distance

Augmentation du débit

x 10 tous les 4 ans

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re 2010Système Chappe (1794-1850)

Le premier exemple de relais optique

500 stations

10 km

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Amplification optique : révolution des années 1990

TL

TransmetteurLaser

FibreR

Récepteur

Fibre FibreAmplificateur

Amp

Amplificateur

Amp

Réamplifier à intervalles réguliers la lumière

Les amplificateurs à fibre

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La fibre optique est particulièrement adaptée pour l’amplification optique

Plusieurs mécanismes amplificateurs sont possibles :

Grande longueur d’interaction

Excellente dissipation thermique

Amplification par fibres dopées terres-rares, erbium ou Ytterbium

Effet Raman

Amplification par mélange à quatre ondes

Compacité et stabilité

Les amplificateurs à fibre

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Les amplificateurs à fibre

50 ans d

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re 2010Des puissances considérables peuvent être obtenues

Systèmes de très haute puissance (1000W de puissance moyenne !) à fibre pour les applications industrielles (usinage)

Les lasers à fibre

amplificateur à fibre+

cavité fibrée

=

laser à fibre

50 ans d

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re 2010Des puissances considérables peuvent être obtenues

Systèmes de très haute puissance (1000W de puissance moyenne !) à fibre pour les applications industrielles (usinage)

Les amplificateurs à fibre

50 ans d

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Distance et débit

Déb

it

x D

ista

nce

(bit.

km/s

)

Année

Augmentation de la distance

Augmentation du débit

x 10 tous les 4 ans

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Débit d’une transmission

Débit : nombre de bits d’information qui sont transmises en une seconde

Plus le débit est important, plus les impulsions sont brèves

x 2

x 4

10 GBps 25 ps

40 GBps 6.25 ps

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10 10

Pour augmenter le débit, on augmente le nombre de canauxutilisés.

Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)

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Jusqu’à 1 000 canaux utilisés !

Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)

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Pour augmenter le débit, on augmente le nombre de canauxutilisés.

Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)

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Manipuler la lumière via l’optique non-linéaire

Laser et Fibre

Moyen de communiquer vite et loin

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La non-linéarité

une note = une fréquence = une longueur d’onde = une couleur

grâce à la non-linéarité, de nouvelles longueurs d’onde sont crées lors de la propagation dans la fibre

Quand on augmente la puissance envoyée dans la fibre, des effets non-linéaires apparaissent.

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La non-linéarité

Propagationà basse intensité

« linéaire »

Propagationà basse intensité

« non-linéaire »

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Sources ultrabrèves

Propagationà basse intensité

« non-linéaire »

Longueur d’onde (nm) Longueur d’onde (nm)

Inte

nsi

té (

dB

)

Inte

nsi

té (

dB

)

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Sources ultrabrèves

Longueur d’onde (nm) Longueur d’onde (nm)

Inte

nsi

té (

dB

)

Inte

nsi

té (

dB

)

Applications aux sourcesà ultra-haut débit

jusqu’à 2 THz :2 000 000 000 000 impulsionspar seconde !

50 ans d

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Sources ultrabrèves

Applications aux sourcesà ultra-haut débit

jusqu’à 2 THz :2 000 000 000 000 impulsionspar seconde ! Temps (ps)

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Les fibres microstructurées

non-linéarité extrême

agencement périodique de trous d'air : un grand contraste d’indice est obtenu

Les fibres de nouvelle génération

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Supercontinuum optique

X 1000

> 1 000 nm

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Supercontinuum optique

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Supercontinuum optique

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Supercontinuums optiques

Applications à la biologie

Applications à la métrologie, spectroscopie

...

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Lab. Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne

An

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on

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Des lasers et des fibres :des outils pour communiqueret pour l’optique non-linéaire

Christophe FINOT

UFR Sciences et Techniques, jeudi 25 novembre 2010