Communication par fibre optique: des Romains a nos jours

Camille-Sophie Brès Section Génie Electrique et Electronique

Incroyable mais vrai…. la fibre optique!

Aussi mince qu’un cheveu mais tres resistante Petite taille et petit poid

Transparente et rapide L’information se deplace a ~2e8 m/s

Tres faible attenuation (0.1dB/km) Peut etre utilisee sur des tres longues distances

Tres large bande passante (25 THz) Enormement d’information

Sécurité électrique : isolation entre terminaux, insensible et non génératrice de parasites….

Au cœur de presque tous les systèmes de telecommunication !

Un peu d’histoire Chez les Romains: Decorations faites de verre

1790s: Chappe inventent le telegraphe optique 1840s: Colladon montre le guidage de la lumiere 1880s: Bell invente le photophone 1880 – 1920 : Glass rods pour illumination 1930: Lamm transmet une image dans un “fiber bundle” 1950: van Heel et Hopkins inventent le fibroscope flexible 1960: le laser! 1964: Kao décrit un systeme de communication par fibre optique 1970: premiere fibre (corning) avec perte suffisamment faible pour etre utilisable 1977: premier système de communication téléphonique optique installé à Chicago

De nos jours : Plus de 25 millions de km de fibre optique installés dans le monde

5 générations de systèmes optiques 0.8 µm systems (1980)

45Mbps, 10km, MMF, InGas

1.3 µm systems (1985) 1.7Gbps, 50km, SMF, InGaAsP

1.5 µm systems (1990) 2.5Gbps, 100km, SM laser

WDM systems (1996) Tbps, amplificateurs optiques

L and S bands (2002) Amplification Raman (from G.P. Agrawal)

Laser (1958) Townes, Basov, Prokhorov

(1964 Nobel prize)

Optical fiber (1964) Charles Kao

(2009 Nobel prize)

La loi de Snell-Descartes

Medium 2 (n2<n1)

Medium 1 (n1>n2)

θ1

θ2

normal

Exprime le changement de direction d'un faisceau lumineux lors de la traversée d'une paroi, séparant deux milieux différents

( ) ( )2211 sinnsinn θθ =

Reflexion totale interne

Medium 2 (n2<n1)

Medium 1 (n1>n2)

θC

Au dela de cet angle critique θIN > θC toute la lumiere est reflechie

Medium 1 (n1) au Medium 2 (n2), n1> n2 ⇒ bending away from the normal

A l’angle critique θC lumiere de n1> n2 est refracte a 90 °

Reflexion totale interne (TIR)

normal

( )1

2

nnsin =Cθ

Structure de la fibre optique

8-62.5 um 125 um 250-900 um COEUR

GAINE

PROTECTION

Guide la lumiere

Reflexion totale interne

Mechanique et flexibilite

n2 n1

( ) 22

2100 nnsinnNA −=≡ α

Fibre monomode NAa2V ×

=

λπ

α0

Fibre multimode

Attenuation de la lumière (1)

Absorption de la silice (material absorption) Transitions electroniques (UV), résonnance vibrationnelle (IR) Impurités Le verre n’est plus transparente au dela de 2 um

Diffusion Rayleigh (Rayleigh scattering) αr = 1/λ4

Fluctuations de la densité

Imperfection de la fibre (waveguide imperfections) 1% signifie 0.03 dB/km “Microbending”: imperfection de fabrication “Macrobending”: rayon de courbure 5mm

8

Attenuation de la lumière (2)

12 THz 15 THz

Transmission windows

0.2

OH absorption

peak

Waveguide imperfections

Dispersion

Origine: l’indice de refraction depend de la frequence n(ω) Constante de propagation

β(ω) = n(ω)ω/c = β0 + β1(ω − ω0) + β2(ω − ω0)2+… (frequence centrale ω0)

βn= (dmβ/dωm), β1=1/vg et D=-λ2/2πc x β2

Temps de transit dans une fibre de longueur L est: T = L/vg = β1L. Dans un milieu dispersif, chaque longueur d'onde se propage à une vitesse

différent

Une impulsion subit un élargissement temporel!

Dispersion chromatique

Selon le signe de D on distingue deux types de régime: lorsque D < 0, on parle de dispersion normale

les composantes spectrales rouges voyagent alors plus vite que les bleues

lorsque D > 0, on parle de dispersion anormale les composantes spectrales bleues voyagent plus vite que les rouges.

Defis des réseaux

Attenuation …. Amplification optique

Dispersion…. Regeneration OEO Regeneration tout optique Modulation

Utilisation des réseaux Augmenter la capacité de chaque

canal: OTDM PDM etc Augmenter le nombre de canaux: WDM Multiplexage statistique: plusieurs

fibres optiques

Multiplexage temporel (OTDM) Offrir à un utilisateur à la fois, la totalité de

la bande passante pendant un court instant. L'allocation se fait en divisant l'axe du

temps en intervalles (τ) Utilisateur N transmet que pendant son

intervalle de temps τn

1: ♣♣♣♣♣♣ 2:♦♦♦♦♦♦

3:♠♠♠♠♠♠

♣♣♦♦♠♠♣♣♦♦♠♠♣♣ τ1 τ2 τ3 τ1 τ2 τ3 . . .

Multiplexage temporel (OTDM) 40 Gb/s – 1 utilisateur

80 Gb/s - 2 utilisateurs

160 Gb/s - 4 utilisateurs

320 Gb/s - 8 utilisateurs

640 Gb/s - 16 utilisateurs

40GHz

MZM PM

SMF1EDFA1

0.1nmEDFA2 7 nm

0.1nmEDFA3

WDM

Delay

HNLF1

HNLF2

640 Gb/s transmitter

BERT

PLLPD

40GHz

WDM

PD

PD

PD50%

50% 10%

HNLF4 2nmWDM

Phase tracker Clock recovery

40GHz

90%

640 Gb/s receiver

Noise

50%

50%

EDFA5 EDFA47 nm1:8 BRM

DCF

40Gb/s PRBS

LDSMF2

MZMPM

0.1nm

7 nm HNLF3Delay

EDFA7

EDFA6

EDFA8EDFA9

Delay

VOA

Format de modulation Représenté dans un diagramme de constellation I et Q

Amplitude Phase

I

Q

I

PSK

Q

I

QPSK

Q

OOK

I

16 QAM

Q

Plus de bits d’information par symbole

Multiplexage par longueur d’onde: WDM Faire passer plusieurs signaux

de longeur d’onde differentes sur une seule fibre optique Utilisateur N est attribué une

longueur d’onde λN

Avantages: Utilisation de la bande passante Transmission a haute capacité sur

une fibre Utilisateurs a la vitesse

électronique

Tx1

Tx2

Tx3

Tx4

Rx1

Rx2

Rx3

Rx4

Multiplexage De-Multiplexage

Désavantages

Vitesse pour changer de longeur d’onde

Limitations imposés par les effets nonlinéaires

Controle du réseau

Solution a l’utilisation des réseaux: OTDM+ WDM+ modulation 2011: 101.7 Tb/s (370 x 294 Gb/s PDM 128QAM ODFM)

Guide de lumière Step-index fiber

Fibre silice, Plastic cladded silica (PCS) Polymer optical fiber (POF)

Graded index fiber

Fibres photoniques (PCF)

High index core Photonic bandgap fiber

Photonique intégrée

“Silicon photonics”

(SEM of US NRL produced PCFs)

Effets nonlinéaires Relation entre excitation d’un milieu et la réponse de ce milieu

La réponse à la somme de 2 champs électriques n’est pas la

somme des réponses individuelles.

Onde électromagnétique Guide

d’onde Formation d’un pôle positif et un

negatif: polarization du milieu

Linear susceptibility

tensor

2nd order nonlinear

susceptibility tensor

3rd order nonlinear

susceptibility tensor

Coefficient de nonlinéarité

22

eff

nAπγ

λ=

Materiau

Guide d’onde

-10 -5 0 5 10-1

0

1

2

3

4

Transversal Coordinate, µm

Ref

ract

ive

Inde

x D

iffer

ence

, %

HNLFSMF

SMF: 1.3 W-1km-1; HNLF: 20 W-1km-1; PCF and silicon waveguide > 2000 W-1km-1

Modification de la dispersion

SubstrateSi

Buried oxideSiO2

WaveguideSi

>1µm

3µm

1µm

Ref

ract

ive

inde

x n

Core

800 1200 1600 2000 2400Wavelength (nm)

-100

100

0

Dis

pers

ion

(ps/

km-n

m)

Increasing waveguide width

Amplification One Pump Amplifier

1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 0

5 10 15 20 25 30

Signal wavelength (nm)

Gai

n (d

B) λPump = 1561.225 nm

110 nm

L = 150 m

λ

Applications (1)

Conjugaison de phase

Tx A* Rx

D D

Propagation

Propagation

640 Gb/s

L = 100km

Translation / Replication

Wavelength multicasting

Applications (2)

Idler

x

Echantillonnage Parametrique (ADC)

Mixer

Signal (Analog)

Pump

Conclusion

La fibre optique au centre de la communication moderne Plus loin Plus vite Plus flexible

Recherche dynamique et variée Modulation Transmission Nouvelles fibres et guides d’onde Optique fibrée nonlinéaire et traitement de signaux

…. le futur: réseaux de communication tout optique?