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Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Métrologie des fibres optiques
5ème Electricité - Télécommunications II
Marc Wuilpart / Véronique Moeyaert / Patrice Mégret
Réseaux de transmission photoniques
22Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
• Intérêt de la métrologie• Normalisation• Mesure de l’atténuation• Mesure de la longueur d’onde de coupure• Mesure du diamètre de champ de mode• Mesure de la dispersion chromatique• Mesure de la dispersion modale de polarisation• Mesures réflectométriques
Plan de l’exposé
33Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Une liaison contient différents types de composants caractérisés par de nombreux paramètres
44Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Pourquoi un intérêt dans la métrologie des fibres optiques ?
• Caractérisation des fibres par le fabricant.
• Caractérisation des fibres dans les laboratoires de recherche.
• Caractérisation des fibres câblées par le câblier (Opticable -Nexans-, Câbleries d’Eupen, …).
• Caractérisation des fibres par l’installateur après la pose et avant la livraison du réseau.
• Caractérisation des fibres par le propriétaire du réseau optique avant la location de fibres à un tiers.
• Maintenance du réseau optique.
55Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Reproductibilité et précision sont deux caractéristiques importantes d’un dispositif de mesure
66Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
La normalisation est vitale pour assurer un bonne reproductibilité des mesures
Les organismes de normalisation définissent les paramètres des fibres optiques et les procédures de mesure.
77Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
L’ITU-T définit les caractéristiques géométriques, mécaniques et optiques attendues des fibres optiques
• ITU-T G.650.1 : Définitions et procédures de mesures pour les caractéristiques linéaires et déterministes des fibres optiques.
• ITU-T G.650.2 : Définitions et procédures de mesures pour les caractéristiques non linéaires et statistiques des fibres optiques.
• ITU-T G.651 : Câbles à fibres optiques multimodes à gradient d’indice (50/125 µm).
• ITU-T G.652 : Câbles à fibres optiques monomodes.
• ITU-T G.653 : Câbles à fibres optiques monomodes à dispersion décalée.
• ITU-T G.654 : Câbles à fibres optiques monomodes à longueur d’onde de coupure décalée.
• ITU-T G.655 : Câbles à fibres optiques monomodes à dispersion décalée non nulle.
88Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Caractéristiques principales des fibres selon les recommandations de l’ITU
99Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Atténuation A, atténuation spectrale A() et atténuation linéique
)(
)(log10)(
out
in
P
PA
inP outPL
• Atténuation spectrale A() [dB]
• Atténuation linéique () [dB/km] (pour une fibre uniforme)
L
A )()(
1010Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
L’atténuation linéique est représentée par la pente d’une droite
0P
zPlog10 10
Pente = - [dB/km]
zz1 z2
Méthode du ‘cut-back’ (fibre courte/fibre longue) pour la mesurede l’atténuation linéique.
Méthode destructive utilisée en laboratoire!
Mesure de P(0), P(L) et L Précision de P(0) ?
)(
)0(log
10
LP
P
L
1111Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
La méthode du ‘cut-back’ pour la quantification de l’atténuation est précise mais destructive
(Fibre courte)
(Fibre longue)
Empêche la propagation sur la fibre courte des autres modes que LP01
Favorise la conversiondes modes de gaines en modes
de rayonnement
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
1212Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Principe du calcul et principe de mesure de l’atténuation linéique spectrale
101zePzP
202zePzP
12 zz
1
2 ezP
zP
1
210
21
log1
]/[zP
zP
zzkmdB
Fibre longue
Fibre courte
Atténuation linéique :
Atténuation linéique spectrale () :
Méthode du ‘cut-back’ à différentes longueurs d’onde (source accordable en longueur d’onde ou source large bande suivie d’un monochromateur).
1313Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Résultat de mesure de l’atténuation spectrale () [dB/km]
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
Sensibilité du wattmètre
1414Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
La longueur d’onde de coupure est la longueur d’onde au-dessus de laquelle la fibre est monomode
22
21 nnkaV
21
2/
nn
nkb
Tiré de Senior «Optical Fiber Communications»
2
k
V=2,4
Monomode Multimode
1515Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Définition de la longueur d’onde de coupure effective
• Longueur d’onde de coupure effective par opposition à la longueur d’onde de coupure théorique.
• Par définition : longueur d’onde pour laquelle le rapport entre la puissance totale, y compris les modes injectés d’ordre plus élevé, et la puissance en mode fondamental vaut 0.1 dB.
• Mesure = utiliser la variation en longueur d’onde de la puissance transmise par un court tronçon de fibre par rapport à une puissance émise de référence
1616Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Méthode de mesure ‘de la puissance émise’ pour les fibres optiques
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
< 10 nm
• L’intervalle de longueur d’onde doit couvrir la longueur d’onde de coupure.
• Stabilité en intensité et en longueur d’onde pendant la mesure.
• Les modes LP01 et LP11 soient injectés dans le fibre
1717Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Protocole de mesure de la méthode de mesure
• Première étape :
– Faire uniquement la boucle A de 14 cm de rayon
– Mesurer P1() qui correspond
• A la propagation de LP01 et LP11 si < cutoff
• A la propagation de LP01 si > cutoff
• Deuxième étape (sans changer l’injection et la détection) :
– Ajouter la boucle B de 3 cm de rayon
– LP11 est très sensible à la courbure lorsque cutoff
– Mesurer P2() (= puissance de référence) qui correspond à la propagation du seul mode LP01 lorsque > (cutoff - )
Quelques dizaines de nm
1818Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Détermination de la longueur d’onde de coupure effective
• Calcul de R() à partir des puissances mesurées :
• La longueur d’onde effective est la longueur d’onde pour laquelle le rapport R() vaut 0.1 dB
• Mise en œuvre délicate de la méthode :
– ne pas introduire de torsion dans les boucles.
– ne pas modifier les conditions d’injection et de détection.
'
2'
12
1log10 PPP
PR
Mesures de laboratoire
1919Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Exemple de résultat de mesure
• Technique de la laboratoire cc < c conditions expérimentale pour les cables très importantes
pour simuler les conditions de terrain.
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
2020Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
from Keiser, "Optical Fiber Communications"
from Senior, "Optical Fiber Communications"
• Le MFD est déterminé à partir de la distribution du champ électrique du mode LP01.
• Modèle le plus souvent considéré :
Le MFD est défini par
Le diamètre de champ de mode est un paramètre fondamental
2121Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Méthode de mesure
• Mesure du champ lointain F²() en fonction de et calcul de MFD.
• Ou méthodes alternatives dont
Champ proche
Mesure de l’intensité f²(r) du champ proche en fonction de la coordonnée
radiale r
• Calcul de MFD selon :
• Calcul numérique délicat
• Précision moins bonne
• Utilisation plus facile
0
20
2
)(
.2
22
drdr
rdfr
drrfr
wMFD
2222Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
< 10 nm
> cutoff
Quelques mètresde la fibre à mesurer
LP01 uniquement Projection agrandie du champ proche à la sortie de la fibre
Mesure de f²(r) Calcul de MFD
Dispositif de mesure du diamètre de champ de mode par la ‘méthode de mesure du champ proche’
2323Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
1310 nm 1550 nm
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
Prédétermination des pertes de couplage :
Exemple de mesure de f2(r) pour une fibre dopée à l’Erbium
2424Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Effet de la dispersion (intermodale, chromatique ou modale de polarisation)
• La dispersion d’un signal optique dans une fibre optique provoque des distorsions pour des systèmes de transmissions tant numériques que analogiques.
• Dans un système de transmission numérique, le mécanisme de dispersion induit un élargissement temporel de l’impulsion émise à mesure de sa progression dans la fibre.
• Cela réduit la bande passante de la fibre et induit de l’interférence entre symboles (ISI)
from Senior, "Optical Fiber Communications", Prentice Hall, 1992
L
2525Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
C’est la courbe de dispersion qui définit les propriétés de dispersion d’une fibre
2626Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Méthodes de mesure de la dispersion chromatique
• Méthode du délai
– Mesure à différentes de la différence entre le délai de groupe d'impulsions dans une fibre de référence et le délai de groupe des même impulsions dans la fibre à tester.
• Méthode interférométrique
– Permet la mesure sur de petites longueurs de fibre. Basée sur l'interférence entre deux trains d'ondes, issus du bras de test de l'interféromètre et du bras de référence. Si la différence des délais de groupe est inférieure au temps de cohérence, les signaux recombinés à la sortie de l'interféromètre donneront naissance à un spectre d'interférence. En modifiant , on construit la courbe du délai de groupe donc, de D()
2727Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Méthodes de mesure de la dispersion chromatique
• Méthode de la déviation de phase (phase shift technique)
– Mesure de la valeur du délai de groupe en fonction de chaque longueur d’onde grâce à la mesure de la déviation de phase subie par un faisceau monochromatique modulé sinusoïdalement traversant la fibre à tester. La différence de phase vaut :
gfT2
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
Opération de dérivation précision
2828Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
• But : ne pas devoir différencier le délai de groupe mais accéder directement à la valeur de D() car, si l'écart des longueurs d'onde n'est pas trop grand,
• Il suffit de superposer une modulation de longueur d'onde à la modulation sinusoïdale d'intensité pour détecter la déviation de phase différentielle et donc le délai de groupe différentiel.
gg
d
dD
La phase () est connue modulo 2! incertitude
La méthode de la double démodulation évite la dérivation
2929Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Principe de fonctionnement
V1=k.1 et V2=k.2
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
3030Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Résultats
3131Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Résultats
3232Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Méthode de mesure de la dispersion chromatique par comptage de photons
'g
gD )(
Tiré de Huttner et al, Photon-counting techniques for fiber measurement; lightwave, August 2000
gD )(
'g
3333Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
La PMD résulte de la biréfringence et du couplage de modes
3434Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Techniques de caractérisation
• Trois méthodes de mesure sont discutées dans les organismes de normalisation :
– La technique de l’analyseur fixe
– La méthode interférométrique
– La ‘Jones Matrix Eigen-analysis’ (JME)
• La quantité mesurée est une quantité statistique, évaluée sur une population d’échantillon finie (t, ).
3535Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
La méthode de l’analyseur fixe nécessite une source large bande
3636Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
La méthode JME nécessite la mesure des matrices de Jones de la fibre
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
Le polarimètre mesure la matrice de Jones de la fibre T() à deux longueurs d’onde successives :
3737Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
Exemple de résultat
La méthode JME fournit de l’information sur la statistique de la PMD.
Sensible aux vibrations (méthode de labo)
3838Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
La méthode interférométrique utilise un interféromètre de Michelson
Insensible aux vibrations (méthode de terrain)
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
3939Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
La précision dépend de l’intervalle de longueur d’onde utilisé pour la mesure
4040Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Mise en œuvre de la technique de mesure réflectométrique : l’OTDR
• OTDR (Optical Time Domain Reflectometer)
– Basé sur la mesure de la diffusion Rayleigh.
– Equipement analysant le temps écoulé entre l’injection d’une impulsion optique et les multiples réflexions de cette impulsion.
– La vitesse de propagation est connue dans la fibre, la distance des éléments réflectifs est donc également connue.
• Permet de :
– Localiser les défauts d’une liaison optique à partir d’une seule extrémité.
– Mesurer la longueur de fibre, l’atténuation linéique, la perte d’insertion et le return loss de connecteurs et d’épissures.
• Equipement de terrain @ 1310 nm, 1550 nm et 1625 nm.
4141Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Technique de mesure basée sur la rétrodiffusion de Rayleigh
• Une fraction du signal diffusé est recapturée par la fibre optique et se propage vers la source. C’est la rétrodiffusion de Rayleigh (au moins présente de 800 à 1750 nm).
• Une discontinuité (variation brusque de l’indice de réfraction = fin de fibre, défaut, connecteur, ...) provoque une diffusion locale supplémentaire ou une réflexion et fait varier la puissance du signal rétrodiffusé.
Signal mesuré à l’OTDR
4242Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
L’OTDR est un outil très utilisé dans le domaine des fibres optiques
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
L’OTDR mesure la puissance rétrodiffusée en fonction du temps t.
La puissance rétrodiffusée mesurée au temps t correspond au point de diffusion situé à une distance z avec :
22
t
n
ctcz n
4343Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Pour des courtes impulsions (tW<<1)
Si
Si W est la largeur de l’impulsion
La puissance mesurée à l’OTDR dépend de l’atténuation de la fibre et de la durée des impulsions
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
provient de la ‘zone de rétrodiffusion’
4444Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Le signal rétrodiffusé mesuré par l’OTDR en un instant t = 2t1
correspond en fait à la somme intégrée de la lumière rétrodiffusée entre les distances z − W/2 et z
Zone de rétrodiffusion
4545Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
L’OTDR affiche cinq fois le logarithme en base dix de la puissance mesurée au détecteur. En procédant de la sorte, on peut montrer qu’une fibre optique homogène est caractérisée par une ligne droite dont la pente est l’atténuation exprimée en dB.
)(log5 zPb
Pente = - [dB/km]
z
La pente de la trace OTDR nous renseigne sur l’atténuation linéique de la fibre
4646Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Ce concept peut être généralisé pour une concaténation de plusieurs fibres
Atténuations différentes
Tiré de Meunier «Physique et Technologie des fibres Optiques»
4747Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Les deux défauts ponctuels sont résolus au récepteur lorsque les impulsions réfléchies en z1 et z2 ne se chevauchent pas, c’est-à-dire
lorsque :
La longueur de résolution dépend de la largeur des impulsions
4848Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Perte d’insertion et return loss
Soit un évènement en zd :
Perte d’insertion :
Return loss :
4949Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Evaluation de IL[dB] et RL[dB]
• La perte d’insertion (IL) d’un événement situé en zd est la différence de puissances en zd
+ et en zd-.
• Le return loss (RL) est fonction de :
– la hauteur H [dB] du pic de réflexion en zd associé au défaut.
– la durée T [s] de l’impulsion utilisée.
– la puissance rétrodiffusée par la fibre optique Bs exprimée en dB en-dessous du niveau de puissance incidente pour une impulsion de une seconde.
– on peut montrer que :
IL
5050Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Exemple de trace OTDR montrant le calcul du Return Loss
5151Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Une trace OTDR fournit un grand nombre d’informations sur la liaison optique
5252Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Dynamique d’un OTDR
• Par définition :
– Perte maximale mesurable (one way) : différentes définitions ! 35 à 40 dB pour un équipement classique .
– Dépend de la largeur et de la puissance de crête de l’impulsion, c’est-à-dire de l’énergie injectée dans la fibre.
– Dépend de la longueur d’onde de l’OTDR (P(0) doit si ).
• Améliorable en augmentant le nombre de mesures et en calculant la moyenne des résultats obtenus.
Il existe un compromis entre dynamique et résolution
5353Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Présence de pics fantômes = pics ne correspondant pas à un événement réel
Tektronix TFP2 FiberMaster
5454Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Zone morte (dead zone)
• Observée à la suite d’un défaut réflectif.
• Due au temps de relaxation du photodétecteur après saturation et dépend de la largeur de l’impulsion de travail.
• Définie comme la distance à partir de laquelle le niveau de puissance est revenu à X dB du niveau normal de la puissance rétrodiffusée (typiquement 0.5 dB).
5555Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
Pourquoi travailler à 1625 nm?
• Monitoring maintenant le service actif à 1310 ou 1550 nm.
• Sensibilité aux macrocourbures augmente si augmente.
(Confinement dans lecœur diminue)
5656Service d’Électromagnétisme et de TélécommunicationsService d’Électromagnétisme et de Télécommunications
from Keiser, "Optical Fiber Communications"
• Lorsque V, le pourcentage d’énergie dans le coeur .• Lorsque V, le pourcentage d’énergie dans l’enveloppe .
Les grandes longueurs d’onde sont plus sensibles à la courbure
22
21 nnkaV
2
k