Télécommunications

optiquesFibres Optiques

Michel Aubès

CPAT - Université Paul Sabatier

aubes@cpat.ups-tlse.fr

Fibres optiquesPlan du cours

Introduction

Théorie des fibres optiques

Caractéristiques des fibres optiques

Technologie des fibres optiques

Fibres optiquesIntroduction

Système de télécommunications optiques

Présentation des fibres optiques

Intérêt

Caractéristiques

Types de fibres

IntroductionTélécommunications optiques (1)

Télécommunications optiques : un système d ’avenir vieux comme le monde !!

Source de lumière :feu, soleil

Détecteur :oeil

Transmissionà vue

Messagecodé

IntroductionTélécommunications optiques (2)

SYSTEME DE TELECOMMUNICATIONS

Emission RéceptionsignalCanal de

transmissionsignal

parole, image….

signal électrique

modulation, codagemultiplexage

démultiplexagedétection

signal électrique

parole, image...

IntroductionTélécommunications optiques (3)

Canaux de transmission

Espace libre Faisceaux hertziens (≈250 MHz à 22 GHz)

Liaisons satellites (6/4GHz(C),14/11GHz(Ku), 30/20GHz(Ka)

Guides d ’ondes métalliquesLignes TEM (du Mhz au GHz)

Espace libre en optique(≈3.1014 Hz soit 300 TéraHertz)

Guides d ’ondes diélectriques (fibres optiques)(≈3.1014 Hz soit 300 TéraHertz)

Domaines de fréquence des ondes électromagnétiques

(P-G. FONTOLLIET, Systèmes de télécommunications, Ecole Polytechnique de Lausanne)

IntroductionTélécommunications optiques (4)

Intérêt du domaine optique

Transmission en bande de baseou

modulation d ’une porteuse

Encombrement des différents signaux :Son (téléphone) 3 KHzSon (Hi Fi) 20 KHzVidéo 6 MHz

Plus la fréquenceest élevée,plus on peutenvoyer de signauxdifférents sur le même canal

IntroductionTélécommunications optiques (5)Transmission en espace libre (FSO) dans le domaine optique

Pertes importantes dues à√ l ’étalement du faisceau√ l ’absorption et la diffusion par l ’atmosphère

Les conditions de propagation dépendent fortement desconditions atmosphériques.

La transmission optique en espace libre est une solution peucoûteuse qui est réservée à des liaisons particulières à courte distance.

Pour des liaisons longue distance, on choisit la solution dela transmission en optique guidée.

Atténuation linéique dans l ’atmosphère (P-G. FONTOLLIET, Systèmes de télécommunications, Ecole Polytechnique de Lausanne)

IntroductionPrésentation des fibres optiques(1)

Guide d’ondes diélectriques :Guidage des ondes électromagnétiques à l’interface de

deux diélectriques

coeur

gaine

gaine

Guide cylindrique« fibre optique »

Guide planaire

L’onde électromagnétique se propage dans le cœur(optique car faible absorption dans le domaine optique)

gaine(cladding)cœur (core)

rayon a

rayon b

Présentation des fibres optiques(2)Intérêt des fibres optiques

√ Largeur de bande utile très importante Capacité de transmission (potentiellement 100 Tbits/s)

√ Affaiblissement faible (0,2 dB/km) Distance entre régénérateurs importante (100 km)

√ Isolement électrique

√ Insensibilité aux perturbations électromagnétiques

√ Bonne adaptation aux techniques de transmission numérique

√ Encombrement, poids, flexibilité mécanique

Présentation des fibres optiques(3)Caractéristiques des fibres optiques

Ouverture numérique :

L

indice n0

ON (NA) = n0sinL

ex : ON = 0,2 L=12°

Présentation des fibres optiques(4)Caractéristiques des fibres optiques

Atténuation (linéique) en dB/km

dépend de l ’absorption par des impuretés et de la diffusion : les progrès dans l ’élaboration des matériaux ont permis le développement de la fibre optique pour les télécommunications.On parle parfois d ’atténuation intrinsèque.

Quelle longueur pour une transmission de 10% ?1968 L=10m 1975 L=500m 1990 L=50km

L 0=100 = 10

€

dB =10logΦ0

Φ

Présentation des fibres optiques(5)Caractéristiques des fibres optiques

Atténuation (linéique) en dB/km

Verre Tauxd’impuretés

Atténuationen dB/km

L pour 1%transmission

Bouteille

Vitre

Lunettes

Optique

Sodocalcique

Silice

10 kg/tonne

1 kg/tonne

100 g/tonne

10 g/tonne

100 mg/tonne

1 mg/tonne

2.106

2.105

2.104

2.103

20

0,2

1 cm

10 cm

1 m

10 m

1 km

100 km

Présentation des fibres optiques(6)Caractéristiques des fibres optiques

(P-G. FONTOLLIET, Systèmes de télécommunications, Ecole Polytechnique de Lausanne)

Présentation des fibres optiques(7)Caractéristiques des fibres optiques

Dispersion Débit numérique et bande passante d ’une fibre

Dispersion : la vitesse de propagation dépend de la fréquence.La relation () n ’est pas représentée par une droite passant par l ’origine ( est la constante de propagation - déphasage par unité de longueur ).

.c

.vvide, milieu non dispersifdiélectrique non dispersifpropagation avec dispersion(dans un guide d ’ondesmétallique par exemple)

Présentation des fibres optiques(8)Caractéristiques des fibres optiques

Vitesse de phase, vitesse de groupe, dispersion de vitesse de groupe

Vitesse de phase vϕ =ωβ

Vitesse de groupe vg=dωdβ

Dispersion de vitesse degroupe, si vg dépend de

pente v

pente vg

Présentation des fibres optiques(9)Caractéristiques des fibres optiques

Conséquences de la dispersion

Réponse impulsionnelle : élargissement des impulsions

Fibret t

t

Limitation du débit numérique

Présentation des fibres optiques(10)Caractéristiques des fibres optiques

Conséquences de la dispersion

Réponse fréquentielle : atténuation aux hautes fréquences

e

e

t

r

t

r

Fibre

Atténuation intrinséque

αi =10logΦe

Φr

Atténuation modulation`

αm=10logΔΦe

ΔΦr

Présentation des fibres optiques(11)Caractéristiques des fibres optiques

Réponse Fréquentielle :

Limitation de la bande passante

Transmission

f

atténuation intrinséque

Dispersion

-3 dB

f

Pour un profil gaussien :

€

f =1

2πσ t

Présentation des fibres optiques(12)Caractéristiques des fibres optiques

IntroductionTypes de fibres optiques (1)

Fibres multimodes à saut d ’indice

Fibres multimodes à gradient d ’indice

n(r)

r

r

n(r)

Fibres en silice (SiO4)

Fibres 50/125/250, 62,5/125/250, 100/140/250(Diamètre cœur/diamètre gaine/diamètre extérieur en m)

•Inconvénients : coût, fragilité, rayon de courbure

•Fibres performantes

IntroductionTypes de fibres optiques (2) Fibres monomodes

Fibres monomodes particulières (Fibres à dispersion décalée (DSP))

Fibres verre/plastique

Fibres plastique

1 à 2 mm de diamètreBon marché, forte atténuation

PCS (Plastic Clad Silica)

IntroductionSystème de télécommunications à fibres optiques

(B.E.A. SALEH, M.C. TEICH, Fundamentals of photonics, Wiley)

Ce que l ’on va étudier :

(Z. TEFFANO,OptoélectroniqueEllipses)