EFFETS NON LINEAIRES DANS LES FIBRES OPTIQUES

1. INTRODUCTIONEffet Kerr, aire effective, longueur dinteraction NL. Automodulation de phase (SPM) CHIRP NL

3. SYSTEMES MULTICANAUX WDMModulation de phase croise (XPM), rle de la dispersion et de lcart entre canaux. Mlange quatre ondes (FWM), rle de la dispersion. Diffusion Raman stimule (SRS), Diffusion Brillouin stimule (SBS).

SYSTEMES MONOCANALInteraction SPM-dispersion, compression dimpulsions. Soliton optique

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AUGMENTATION DE LA PUISSANCE OPTIQUELAUGMENTATION DU DEBIT ET DE LA DISTANCE NECESSITE DAUGMENTER LA PUISSANCE DE LA PORTEUSE OPTIQUE POUR GARANTIR LE TAUX DERREURS. CETTE PUISSANCE ELEVEE SE RETROUVE TOUT LE LONG DE LA FIBRE AVEC LINTRODUCTION DES EDFA. LA MULTIPLICATION DU NOMBRE DE PORTEUSES DANS LES SYSTEMES WDM MULTIPLIE LA PUISSANCE TOTALE. LES EFFETS LIES A LAUGMENTATION DE LA PUISSANCE ONT GENERALEMENT UN IMPACT NEGATIF SUR LES PORFORMANCES DES SYSTEMES. IL EXISTE DES CAS OU CES EFFETS SONT EXPLOITES POUR AMELIORER LES PERFORMANCES :Compression dimpulsions Amplification RAMAN Propagation soliton . G. HINCELIN Effets non linaires 2

LEFFET KERR

LA REPONSE DUN MATERIAU DIELECTRIQUE EST NON-LINEAIRE POUR UN CHAMP ELECTROMAGNETIQUE TRES INTENSE : % LINDICE DE REFRACTION DEVIENT : n = n1 + n2 In1 reprsente lindice classique

n2 = 2, 2 3, 4 10 n2 est lindice non-linaire : (ne pas confondre avec lindice de la gaine).et

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m2 / W

I

est lintensit dans la fibre, exprime en W/m2.

IMPORTANCE DES EFFETS NL DANS LES FO monomodesLa valeur de n2 est relativement faible dans la silice MAIS Lintensit est trs leve, car la puissance est confine dans le cur de fiable dimension Grande distance dinteraction, grce au phnomne de guidage et une attnuation trs faible (0,2 dB/km 1,55 m)G. HINCELIN Effets non linaires 3

AIRE EFFECTIVEINTENSITE OPTIQUEPuissance par unit de surface Unit 2 W/m2

Distribution de lintensit

Intensit moyenne

E (r )

2

Cur de la fibre Diamtre effectif 2w0

VALEUR MOYENNE DE LINTENSITE

1 E (r ) I (r ) = 2 Z

I =

I 2 ( r ) dS

I ( r ) dSAeff

AIRE EFFECTIVE Aeff : a

I =

Popt AeffE (r )Montrer :

( =

I (r )dS

)

2

I 2 (r )dS

Distribution transversale de lintensit du mode fondamental LP01, diamtre de cur et diamtre de laire effective Aeff (valeur de 50 80 m2 1,55 m).

APPROXIMATION GAUSSIENNE:

r2 E0 exp( 2 ) w02 Aeff = w0

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LONGUEUR EFFECTIVE DINTERACTION

LES EFFETS NON LINEAIRES SONT PROPORTIONNELS A LINTENSITE I = Popt/Aeff. ATTENUATION :

I ( z) =

P0 exp ( z ) = I 0 exp ( z ) Aeff

LONGUEUR EFFECTIVE Leff : Longueur quivalente dune fibre sans absorption, qui produirait les mmes effets non linaires :

I 0 Leff = I 0 exp ( z ) dz = I 00

L

1 exp ( L )

Leff =

1 exp ( L )

est lattnuation en m-1 qui est donne par :

(m ) =1

1 A( dB / m ) 4,34

Calculer Leff pour L = 10 km, 50 km et A = 0,2 dB/km

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AUTOMODULATION DE PHASE (SPM)PHASE NON LINEAIRE Le passage dune impulsion intense modifie localement lindice de rfraction vu par londe lectromagntiqueI(t)

dI >0 dt

dI > Leff = 20 km EFFETS NL NEGLIGEABLES 2 cas : PO = 100 mW LNL = 5 km 0

La phase varie au cours du temps

t

E ( t ) = E0 cos [0t (t )]Posons au temps t0 :

(t ) = 0 +

d t dt

Variation instantane de la phase

d E ( t ) = E0 cos (0 )t 0 dt Au temps t, on observe une pulsation instantane : d (t ) = 0 dt Variation instantane de la frquence

=

1 d 2 dt 8

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CHIRP NON LINEAIREI (t ) I (t )CHIRP NON LINEAIRE Sur les fronts de limpulsion

dI >0 dt

dI 0 :Pour D > 0, les grandes longueurs dondes se propagent moins vite. Compensation initiale de la dispersion par la SPM, qui peut conduire dans certains cas une compression des impulsions.

AMELIORATION DE LA QUALITE DE LA TRANSMISSION

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COMPRESSION DIMPULSIONS (D > 0)

Bruit damplification Compression dimpulsions

Amlioration de la qualit de transmission (compression)

Dgradation de la qualit de transmission (largissement)

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RESULTATS DE SIMULATIONImpulsions gaussiennes PO = 50 mW, largeur initiale 25 ps. Largeur dimpulsion (ps)

Sans SPM

Distance de transmission (km)

Evolution de la largeur dune impulsion gaussienne en fonction de la distance de propagation pour diffrentes valeurs de la dispersion, en prsence de SPM. Cas D < 0 : dgradation rapide de la qualit de transmission, Cas D > 0 : Effet bnfique de la SPM sur la qualit de transmission.G. HINCELIN Effets non linaires 12

SOLITON OPTIQUECOMPENSATION EXACTE DE LA SPM ET DE LA DISPERSION CHROMATIQUE EN REGIME DE DISPERSION D > 0. LES IMPULSIONS SE PROPAGENT DANS LA FO SANS DEFORMATION PROFIL DU SOLITON

t I (t ) = I sol Sech ( ) T02

Sech(t ) =PUISSANCE CRETE

1 2 = Ch(t ) exp (t ) + exp (t )

2 P= 2 1 T02 n2 = 0 Aeff

PN = N 2 P 1

02 D 2 = 2 c13

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EFFETS NON LINEAIRES MULTICANAUX : XPM

La XPM provoque laugmentation du bruit dintensit dans les canauxG. HINCELIN Effets non linaires 14

ECART ENTRE CANAUX ET DISPERSION

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MELANGE A QUATRE ONDES

Multiplex WDM

Gnration de nouvelles frquences Partons de deux porteuses de frquences voisines 1 et 2 = 1 +

3 = 2 1 2 = 1 4 = 2 2 1 = 2 +

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ROLE DE LA DISPERSION

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DIFFUSIONS INELASTIQUESINTERACTION PHOTONS PHONONS : DEUX EFFETS SIMILAIRESTRANSFERT DENERGIE DUNE ONDE VERS lONDE DE STOKES DE PLUS BASSE ENERGIE

DIFFUSION RAMAN STIMULEE (SRS) Branche des phonons optiques CARACTERISTIQUES Dcalage Stokes FR = 13 THz Large bande passante (> 6 THz) Co et contra-propagatif Seuil de puissance lev APPLICATION A LAMPLIFICATION OPTIQUE INCONVENIENT : EFFET SERS AUTOINDUIT EN WDM

DIFFUSION BRILLOUIN STIMULEE Phonons acoustiques CARACTERISTIQUES Dcalage Stokes FR = 11,25 GHz Bande passante 10 50 MHz Contra-propagatif uniquement Seuil de puissance faible pour une source spectre troit. PAS DAPPLICATION ACTUELLEMENT INCONVENIENT : PERTE DE PUISSANCE DU SIGNAL A LAPPROCHE DU SEUIL PAR TRANSFERT DE PUISSANCE A LONDE STOKES18

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EFFET SRS AUTO-INDUIT EN WDM (1/2)

Leffet SRS a un impact sur les systmes WDM multiplex large.

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EFFET SERS AUTO INDUIT EN WDM (2/2)

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