50 ans du laser Institut Carnot Bourgogne 25 Novembre 2010 Année Mondiale de la Physique 2005...
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50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
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Institut Carnot de Bourgogne
An
née M
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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
Institut Carnot Bourgogne
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Plan
Charles KAO
6 Octobre 2009
50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
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Moyen de manipuler la lumière via l’optique non-linéaire
Laser et Fibre
Moyen de communiquer vite et loin
50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
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phare d'Alexandrie signaux de fumée télégraphe chappe
Communiquer avec la lumière
Annoux (Yonne)Forêt de Reppe
50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
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émetteur
récepteur
milieu de propagation
code
Les éléments des communications
50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
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re 2010
émetteur
récepteur
milieu de propagation
code
Les éléments des communications
50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
25 No
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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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u laser
Institut Carnot Bourgogne
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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
50 ans d
u laser
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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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u laser
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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
50 ans d
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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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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
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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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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
50 ans d
u laser
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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
50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
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Les amplificateurs à fibre
50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
25 No
vemb
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
u laser
Institut Carnot Bourgogne
25 No
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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
u laser
Institut Carnot Bourgogne
25 No
vemb
re 2010
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
50 ans d
u laser
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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
50 ans d
u laser
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10 10
Pour augmenter le débit, on augmente le nombre de canauxutilisés.
Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)
50 ans d
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Jusqu’à 1 000 canaux utilisés !
Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)
50 ans d
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Pour augmenter le débit, on augmente le nombre de canauxutilisés.
Le Multiplexage en Longueurs d’Ondes (WDM)
50 ans d
u laser
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Manipuler la lumière via l’optique non-linéaire
Laser et Fibre
Moyen de communiquer vite et loin
50 ans d
u laser
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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.
50 ans d
u laser
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La non-linéarité
Propagationà basse intensité
« linéaire »
Propagationà basse intensité
« non-linéaire »
50 ans d
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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
)
50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
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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
u laser
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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)
50 ans d
u laser
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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
50 ans d
u laser
Institut Carnot Bourgogne
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Supercontinuum optique
X 1000
> 1 000 nm
50 ans d
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25 No
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Supercontinuum optique
50 ans d
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Institut Carnot Bourgogne
25 No
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Supercontinuum optique
50 ans d
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Supercontinuums optiques
Applications à la biologie
Applications à la métrologie, spectroscopie
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e la Ph
ysiqu
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Lab. Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
An
née M
on
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de la P
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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