Les Ondes Optiques

Riad Haïdar

ONERA

Département d’Optique Théorique et Appliquée

2

The ElectroMagnetic Spectrum

RADIO FREQUENCIES

OPTICAL FREQUENCIES

= 100 mm

f = 3 GHz

= 1 mm

f = 300 GHz

Propagation : optical fibers

MICRO WAVES

3

Fiber propagation

n1 > n2

n2

4

Reflection & Refraction

n2<n1

n1

1 1

1

2

2

Snell’s law

2211 sinsin nn

2211 coscos nn

n2<n1

n1

1= c

c

Critical angle

1

2sinn

nc

1

2cosn

nc

n2<n1

n1

1 >c

Total internal reflection

5

Un fil de verre seul peut aussi conduire la lumière...

>> MAIS il n'y a pas confinement au voisinage du centre.

>> Ce sera une fibre multimode.

>> Le milieu extérieur peut influencer la propagation.

Pour les communications sur de longues distances, onutilise une fibre monomode pour minimiser les problèmes de dispersion.

Remarque

6

Fiber performance

z=0 z=L

Dispersion

z=0 z=L

Attenuation

7

Optical attenuation in glass

1960

Att

enua

tion

(dB

/km

)

1

10

100

1000

0.11970 1980 1990 2000

20 dB/km (Corning)

0.16 dB/km

CVD (Chemical Vapor Deposition)

8

Fiber attenuation (SiO2)

1.80.8 1.0 1.2 1.4 1.60.9 1.1 1.3 1.5 1.7

Wavelength (m)

Att

enua

tion

(dB

/km

)

0.2

0.5

1.0

1.5

Rayleighscattering IR band edge

OH-- peak

UVabsorption

0.70.6

4

1R.Scatt

0.16 dB/km

9

Light detection

Other Fiber losses (1)

Épissure : fusion bout à bout de deux fibres.

>> Pertes typiques de 0,05 dB sur les fibres standard télécoms.

Light insertion

Micro

Positioning

Détection de lumière

Détection de lumière

Light detection

Micro

Positioning

electric arc

10

longitudinal Dradial d

angular cores

ellipticitycores

misaligning

Other Fiber losses (1)

11

Other Fiber losses (2)

Courbures :

>> Il y a modification des conditions de réflexion : un rayon totalement réfléchi dans un guide droit, peut s'échapper par réfraction lorsque le guide est courbé.

>> Les fibres monomodes tolèrent un rayon de courbure de l'ordre de 10 cm sans perte notable

>> les pertes croissent exponentiellement avec la courbure.

12

Théorie du Guidage

Deux approches sont possibles :

• la théorie géométrique : (optique des rayons), valable pour des cœurs de dimensions beaucoup plus grandes que la longueur d'onde.

• la théorie ondulatoire : elle utilise les équations de Maxwell avec les conditions aux limites. Elle conduit à la notion de mode, valable pour toute dimension de coeur.

Pour des diamètres beaucoup plus grands que la longueur d'onde les

deux théories se rejoignent.

13

Les rayons se divisent en deux types :

• Les rayons hélicoïdaux, qui ne coupent jamais l’axe

• Les rayons méridionaux

A chaque inclinaison m correspond un groupe de rayons

>> on parle de « mode ».

Chaque mode est caractérisé par sa vitesse de phase VP liée à l'angle m par :

>> Il y a autant d'inclinaisons que de modes.

Théorie du Guidage

mcoP Cos . n

V

1

14

Modes & Rays

waveguide

d

2 1 0

m=0 m=2m=1

d

mk mx

1,

0

,arcsinnk

k mxm

15

Mode intensity profiles

• Optical modes:

0 1 2

d

a

Planar:

Single-mode if V

Fiber:

Single-mode if V 2.405

22

21

2nn

dV

22

21

2nn

aV

V number

>> determines how many modes a fiber supports

16

Number of modes

• Number of modes in step-index fiber

if V > 2.405

• Optical power in the cladding (gaine optique)

2

2

2

1 22

22

1

2V

nna

M

MP

Pcladding

3

4 for large values of V

17

Numerical Aperture

1

2cosn

nc Critical angle:

Maximum entrance angle:

cn

n sinsin0

1max,0

22

21

211max,00 cos1sinsin nnnnnNA cc

Numerical aperture:

Multimode fiber

n1

n2

0 c

n0

n0

18

Numerical Aperture

n

n

n

nn

n

nn

nnn

1

212

1

22

21

21

2

: if

2222

21 nnnnnNA

61.0 max,0NA

19

Dispersion

Les différentes composantes du signal se propagent selon des temps différents dans la fibre optique.

Deux causes essentielles :

– Différence de trajet (dispersion modale)

– Différence de vitesse (dispersion chromatique)

20

L

n1

n2

Dispersion (intermodal)

c

t

c

nLT 1

min

cc

nLT

cos1

max

1

2cosn

nc

21

Deux longueurs d’onde 1 et 2 voyagent à des vitesses différentes

Dispersion (chromatic)

L

n1

n2

Bonne nouvelle : La dispersion s'annule vers 1300nm.

t

22

Type de fibrerco / rgo

Multimode100 / 140 µm

Monomode9 / 125 µm

Monomode9 / 125 µm

Longueurd'onde (nm)

1300 1300 1550

Dispersion M(ps/ nm/ km)

22.000 3,5 20

Dispersion in numbers

23

Dispersion and frequency

10

100

1 1000 freq (MHz)

Attenuation (dB/km)

Coaxial Multi saut d’indice

Multi gradient d’indice

Monomode

24

Les Solutions :

– Emploi de source monochromatique.

– Fibre à dispersion décalée :

• décaler le zéro de dispersion vers 1550nm

(car atténuation min à 1550nm)

• aplatir la dispersion dans le domaine 1300 -1550 nm.

Pour cela, on doit réaliser des profils d’indice spéciaux à cœur segmenté (de type W par exemple) ou/et triangulaire.

>> Une transmission sur 100 km sans répéteur est alors réalisable.

Dispersion (chromatic)

25

Débit = BP * Efficacité

(Bits / s) = (Hz) * (Bits / s / Hz)

1 – BP disponible autour de 1550nm : ~ 15 THz

2 – Meilleure isolation en => Meilleure Efficacité

Aujourd’hui : 0,2 Bits/s/Hz

D’ici 24 mois : 0,5 Bits/s/Hz

Radio : 10 Bits/s/Hz

Objectif à long terme : 150 Tbits/s

15 THz

10 Bits/s/Hz

B.P.

Efficacité

150 Tbits/s

Dispersion (enjeux)

26

refractiveindex

SM Single-Mode

Fiber types

MM-SIMulti-ModeStep Index

MM-GIMulti-ModeGraded Index

2/1

1 21

a

rnrn

27

Fiber classification (1)

Core diameter (coeur) 50 - 400 m

Cladding (gaine) 125 (500) m

2nd coating (2nde gaine) 250 - 1000 m

NA (ouverture numérique) 0.16 - 0.5

Attenuation 1 - 4 dB/km

Bandwidth 6 - 25 MHz.km

Application Short distance, low cost

limited bandwidth

MM-SI: Multi Mode - Step Index fiber

28

Fiber classification (2)

Core diameter 50 m standard

Cladding 125 m

2nd coating 200-1000 m

NA 0.2 - 0.3

Attenuation 1 dB/km (1300 nm)

Bandwidth 150 MHz.km - 2 GHz.km

Application Medium distance communication

LED/Laser sources

MM-GI: Multi Mode - Graded Index fiber

29

Fiber classification (3)

Core diameter 3-10 m

Cladding 50-125 m

2nd coating 200-1000 m

NA ~0.1 (not used)

Attenuation 0.20@1550nm - 0.4@1300nm dB/km

Bandwidth >> 500 MHz.km

Application Long distance communication

Lasers, standard fiber

SM-SI: Single Mode - Step Index fiber

30

• G.652 : fibre monomode standard (SMF)Dispersion 17ps/nm/km à 1550nm

>> Faible débit

• G.653 : fibre à dispersion décalée (Shifted Dispersion Fibre)

Dispersion = 0 à 1550nm mais sensible aux effets non linéaires

>> Débits élevés (> 10Gbits/s)

>> Pas WDM

• G.655 : l ’avenir ! Compromis entre G.652 et G.653

Dispersion = 8ps/nm/km à 1550nm et insensible aux effets non linéaires

>> Débits élevés (> 10Gbits/s)

>> WDM (120 canaux démontrés en 2000)

Today Fibers

31

Today Fibers

0

+20

-20

1300 1550

wavelength (nm)

Dispersion (ps/nm/km)

G.652

G.653

SDF

SMF

1430

G.655

32

Silica fibers – preform fabrication

Gases inO2, HeSiCl4GeCl4BBr3

POCl3

Silicatube

Heating ring

Gases out

Deposit

preform

furnace

Diameter controlPolymer coating solution

Polymer curing

Pulling drive

Take-up reel

Modified chemical vapor deposition for preform fabrication

Pulling machine

33

Fiber materials

• Silica glass fiber– starting material: pure silica (SiO2) in the form of fused quartz

(amorphous)– modification of refractive index by addition of impurities

• lowering refractive index : B2O3, F• raising refractive index : P2O5, GeO2

• Polymer optical fiber (POF)– large core (multimode)– large refractive index difference between core and cladding– easy handling– relatively high losses

34

Advantages of Optical communication

Huge bandwidth

Small and light

Low loss

Electrical isolation

No EMI (Lightning, interference)

Security (no tapping)

Reliability

Low cost per bit

35

Les Sources Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

• Laser à fibre dopée à l’Erbium

• Laser à semi-conducteur

1 - les plus utilisés pour intégration (qques µm)

2 - deux types Distributed FeedBack (DFB), incluant la zone de gain

Distributed Bragg Reflector (DBR), ne l’incluant pas

+

–

p

n

Miroirs semi-réfléchissants

Lumière cohérente

Light Sources

36

Technique d'accord Gamme de couverture

Vitesse d'accord

Laser à accord mécanique 500 nm 1-10 ms

Laser à accord électro-optique 7 nm 1-10 ns

Laser à accord par injection de courant 10 nm 1-10 ns

Caractéristiques des lasers utilisés dans les télécoms

Les Sources Accordables

Light Sources

37

• f < 1Gbits/s (1 GHz) : OK

• Entre 1 GHz et 10 GHz :

- La diode n’a plus le temps de laser

- Phénomène de « CHIRP » : se met à fluctuer

>> CHIRP + dispersion des fibres : Pb !

Light Modulation

La modulation interne

LASERP (t)

ti(t)

modulation

38

• La diode émet en continu, on place un obturateur en sortie

• Limite électronique : 10 Gbits/s

Light Modulation

La modulation externe

LASER

modulateur

P0

0

P(t)

0

39

Que module-t-on ?

– Modulation du champ rayonné

• Modulation en amplitude(ASK), fréquence (FSK) ou phase (PSK)

• Source nécessairement cohérente : laser

• Fibre monomode indispensable

– Modulation d’intensité

• Seule la puissance rayonnée est modulée.

• Nul besoin d’une source cohérente

• Toutes les fibres conviennent

Light Modulation

40

Exemples à 1 Gbit/s

Fibre multimode saut d’indice : L = 10 m

Fibre multimode gradient d’indice : L = 1 km

Fibre monomode :

• DEL 1,5µm L = 500 m

• DFB 1,5µm + modulation directe L = 250 km

• DFB 1,5µm + modulation externe L = 2500 km Limite due à la dispersion.

41

Les réseaux optiques « classiques » sont bridés en débit :

Fibre optique

Multiplexeur/démultiplexeur électronique

Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur)

2 Gbits/s

Electronic Multiplexing

42

La solution : on combine Mux/Demux électronique et optique

Fibre optique

Multiplexeur/démultiplexeur électronique

Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur)

Demux/Mux optique

n x 2 Gbits/s

n x

Wavelength Division Multiplexing WDM

43

Aujourd’hui

Historiquement, le WDM consistait à discriminer les voies montantes (1,5µm) et descendantes (1,3µm)

Progrès :

– 2000 : Mux WDM à 80 longueurs d ’onde à 2Gbits/s (160Gbits/s!)

– 2001 : Mux WDM à 200 longueurs d ’onde à 2Gbits/s (500Gbits/s!)

Espacement inter-canaux : ~ 50GHz (0,4nm) autour de 1550nm

Wavelength Division Multiplexing WDM

44

Amplificateurs OptiquesEDFA (erbium doped fiber amplifier)

Puissance

fréquence

1 2 3

Puissance

fréquence

1 2 3

Fibre dopée à l ’erbium

Diode laserCourant de pompage

Lentille de couplage

Signal Signal amplifié + bruit

45

EDFA (erbium doped fiber amplifier)

Pompage indirect

= 0,98 µm

Pompage direct

= 1,48 µm

Énergie

Émission stimulée à 0

État excité

État instable

État d’équilibre

46

EDFA (erbium doped fiber amplifier)

courbe de gain

0,4

0,18

5 THz 25 THz

Atténuation (dB/km)

Longueur d’onde (nm)1430 15501300

Amplification

3 THz

47

• L’EDFA convient à tous types de modulation :

– amplitude ASK : tout photon incident induit un photon stimulé

– fréquence FSK et phase PSK

• Gain jusqu’à 40dB dans une bande de 3 THz ([1,53 - 1,56µm])

• Utilisation de canaux autour de 1,5µm si espacés de 100GHz

• Bruit large spectre dû à l’émission spontanée >> filtrable

• Temps de réponse : 10ms

EDFA (erbium doped fiber amplifier)

48

Amplificateur à semi-conducteur SCOA

Puissance

fréquence

Puissance

fréquence

Courant de pompage

Diode laser

Lentille de focalisation + traitement anti-reflet

Conversion électro-optique

49

Type d'amplificateur

Zone de gain Largeur de

bande Temps de réponse

Gain

SCOA Quelconque 40 nm 1 ns 25 dB

EDFA 1525 nm - 1560 nm

35 nm 10 ms 25-51 dB

PDFFA 1280 nm - 1330 nm

50 nm ? 20-40 dB

PDFFA : praseodynium doped fluroide fiber amplifier

Amplificateurs Optiques

50

A note on dB and dBm

• dB– optical signals:

– electrical signals:

–

• dBm– absolute power value (with 1 mW as reference)

– power level in dBm:

2

1log10P

P

22

11

2

1

2

1 log10log20log20IV

IV

I

I

V

V

mW

P

1log10

elelopt PIP electrical dB = 2 x optical dB

51

FIN