Frédéric Audo Directeurs de thèse : Jean Le Bihan et André Pérennou Lab-STICC, UMR CNRS 6285,...

Opto-alimentation et transmission de donnes par fibre optique pour les observatoires de fond de merFrdric Audo

Directeurs de thse : Jean Le Bihan et Andr PrennouLab-STICC, UMR CNRS 6285, ENIB

*/44 Soutenance de thse de doctorat, F. Audo, 03/12/2012

PlanContexteArchitecture du dispositif exprimentalModlisation des phnomnes optiquesCaractrisation en rgime statiqueCaractrisation en rgime dynamiqueConclusion et perspectivesContexteObservation des fonds marinsProjet Opto-alimentationArchitecture du dispositif exprimentalModlisation des phnomnes optiquesCaractrisation en rgime statiqueCaractrisation en rgime dynamiqueConclusion et perspectives

*/44 Soutenance de thse de doctorat, F. Audo, 03/12/2012ContexteArchitecture du dispositif exprimentalModlisation des phnomnes optiquesCaractrisation en rgime statiqueCaractrisation en rgime dynamiqueConclusion et perspectives

Ncessit dobserver, de surveiller et de comprendre les comportements des ocans et notamment les fonds marins

Observatoires de fond de mer* : un systme sans quipage un site fixe, dinstruments, de capteurs, et de modules de commandes connects au continent soit de faon acoustique, ou via une bote de jonction sous-marine lie une boue la surface ou un cble de fibre optique

3 types dobservatoires de fond de mer selon le mode de communication :Autonome liaison acoustiqueCblObservation des fonds marins* [NRC 2000] National Research Council, Illuminating the hidden planet: the future of seafloor observatory science. Washington DC, Washington : The National Academies Press, 2000, p.135.


Problmes rsoudre : relocalisation ou extension dun observatoire cbl dans une nouvelle zone dintrt

Solution envisage : dployer une ou plusieurs fibres optiques pour transporter :Lnergie ncessaire lalimentation de linstrumentLes donnes changes entre la station terrestre et linstrument

Observatoires cbls de fond de mer : extension


Architecture de lextension tout-optique

Cot des connecteurs sous-marins : onreux => 1 seule fibre optiqueProjet Opto-alimentationtendre un observatoire cblBJ : Bote de JonctionI : Instrument


Cahier des charges du projetDispositif long de 10 kmUtilisation de composants optiques "standards"Puissance et donnes transmises ensemble sur une seule fibre optiquePuissance lectrique de quelques centaines de mW sur l'instrumentTransmission des donnesbidirectionnelletemps reldbit dau moins 5 Mbit/sProjet Opto-alimentationtendre un observatoire cbl


Objectif du projet : raliser une extension dun observatoire cbl de fond de mertude de la liaison optique : nergie + donnesConception d'un systme de communication faiblement consommantMarinisation et test in-situ dun dmonstrateur

Objectif de la thse : valuer la faisabilit et les limites de la liaison tout-optiqueConception et mise en place dun dispositif exprimentaltude et modlisation des phnomnes optiquesCaractrisation exprimentaleProjet Opto-alimentation


tat de lart de la puissance sur fibre

Projet Opto-alimentation

DistanceBibliographie : 10 kmExtension 10 kmLongueur donde14501600 nm?Source Laser (puissance max utilise)InGaAs/InP (500 mW)?Fibre optique (attnuation)SMF (0,2-0,3 dB/km)?Cellule photovoltaque(Rendement de conversion O/E)InGaAs/InP(25%)?Puissance lectrique1 mW> 100 mW


PlanContexteArchitecture du dispositif exprimentalArchitecture gnraleConversion E/OBilan de liaisonConversion O/EModlisation des phnomnes optiquesCaractrisation en rgime statiqueCaractrisation en rgime dynamiqueConclusion et perspectives


Schma de lextensionTransmission de 3 ondes dans une fibre optique :PuissanceDonnes descendantesDonnes montantes (source laser faiblement consommante)Architecture gnraleSens descendantSens montant


Architecture gnrale : 1480 nmChoix de la fibre optique : monomode SMF-28

Choix de la longueur donde du laser de puissance

Choix de la longueur donde des donnes : bande C -> 1550 nm

Choix de la puissance du laser de puissance : qq centaines de mW lectrique => suprieure 5 W optique (37 dBm)

Attnuation SMF-28Rendement de conversion O/E980 nm2-3 dB/km50% (GaAs)1480 nm0,2-0,3 dB/km25% (InGaAs)


Architecture du dispositif exprimentalSens descendantSens montant


Conversion E/OSource laser fibre amplification Raman (Keopsys)Puissance optique maximale : 10 W (40 dBm)Longueur donde : 1480 nmSources laser DFBPuissance optique maximale : 30 mW (15 dBm)Longueur donde : bande C -> 1550 nm


Estimation du bilan de liaison : Donnes descendantes 1550 nm : -4,1 dBDonnes montantes 1550 nm : -4,7 dBPuissance 1480 nm : -3,4 dBBilan de liaison


Conversion O/EPuissance optique incidente prvue entre 26 et 32 dBmConversion O/E de la puissance : cellule photovoltaque de puissance (PPC, JDSU)Sensibilit en longueur donde : large bande (1470 1620 nm)Rendement de conversion O/E maximal : 25%Puissance lectrique maximale : 100 mW

Caractrisation de la PPC


Module de conversion O/EChoix : couplage de 6 dB = 4 voiesChangement de larchitecture au niveau du terminal

Impact sur le bilan de liaison des donnes :Donnes descendantes 1550 nm : -10,4 dBDonnes montantes 1550 nm : -11 dBConversion O/E


PlanContexteArchitecture du dispositif exprimentalModlisation des phnomnes optiquesPrincipaux phnomnes optiquesModlisation de la propagation dans la fibreCaractrisation en rgime statiqueCaractrisation en rgime dynamiqueConclusion et perspectives


Phnomnes optiques causs par :Superposition de plusieurs ondes dans la mme fibre optiquePropagation de la forte puissance

Diffusion RayleighPhnomne linaire d aux inhomognits de la silice

Diffusion RamanPhnomne non-linaire : interaction photon phonon optiqueDiffusion spontane -> gnration de bruitDiffusion stimule -> utilise pour lamplificationASE : diffusion spontane amplifie

Diffusion BrillouinPhnomne non-linaire : interaction photon phonon acoustiquePrincipaux phnomnes optiques


Reprsentation spectrale (cas d'une SMF-28)

Principaux phnomnes optiquesGnration de lASE : diffusion Raman spontane amplifie

DiffusionDiffusion BrillouinDiffusion RamanDcalage en frquence11 GHz (0,09 nm)13,2 THz (100 nm)Largeur spectrale20 MHz (0,2 pm)5,4 THz (45 nm)Pseuil (@1480 nm)> 44 dBm (largeur de raie = 1 nm)34 dBmPseuil (@1550 nm)13 dBm34 dBm


But : prdire limpact des phnomnes lors de la propagation

Mise en quations des phnomnes -> propagation dans la fibre

Ondes considrer :Puissance 1480 nmDonnes descendantes et montantes 1550 nmASE autour de 1583 nm

Calcul des puissances en sortie de la fibre

Modlisation


Diffusion Brillouin (pour chaque onde)

Diffusion Raman : transfert de puissance par diffusion stimule

Rtrodiffusion Rayleigh (pour chaque onde)ModlisationRflexions au sein de la fibre = rtrodiffusion RayleighAmplification par diffusion RamanSuperposition de la double rtrodiffusion et du signal transmisOnde diffuse contra-propagativeDcalage de ~ 0,1 nm (ngligeable)


Exemple : quations des donnes descendantes et montantesModlisationattnuationAmplification Raman et diffusion Raman spontane de la SLHPDpltion Raman vers lASEDpltion BrillouinDouble rtrodiffusion RayleighattnuationAmplification Raman et diffusion Raman spontane de la SLHPDpltion Raman vers lASEDiffusion Brillouin stimule et spontaneSimple rtrodiffusion Rayleigh


Modlisation1550 nm1583 nm1583 nm Pompe = 1480 nm Pompe = 1550 nmfStokesCalcul du coefficient de gain Raman gRModle de D. Hollenbeck

gR Max proportionnel Stokes

Cas de notre dispositif :


Conditions initiales Mesures exprimentales

Longueur de la fibre optique : LFibre = 10 km Longueur du pas : dz = 1 mModlisationSortie de la SLHPPSLHP = 30 dBmPSLHP = 33 dBmPSLHP = 36 dBmDiffusion Raman : dcalage Stokes de la puissance 1480 nm autour de 1583 nmPDonnes = 0 dBmSortie du laser de donnes


volution des niveaux de puissance en sortie de la fibre en fonction de la puissance de la SLHP

1480 nm : transfert de puissance autour de 1583 nm1583 nm : transfert de puissance de 1480 nm1550 nm co- et contra-propagatifs : Amplification Raman et diminution de la rserve dnergie 1480 nmTransfert dnergie vers lASEModlisation : propagation dans la fibrePSLHP = 30 dBm 36 dBmP1550 nm desc. = 0 dBmP1550 nm mont. = -3 dBmPuissanceDonnes descendantesDonnes montantesASERsultats du modle :Amplification des donnes -> compensation des pertes et de lattnuationASE autour de 1583 nm -> filtrage au niveau de la rception des donnesDpltion de la puissance de 1480 nm par transfert dnergie vers lASE autour de 1583 nm


PlanContexteArchitecture du dispositif exprimentalModlisation des phnomnes optiquesCaractrisation en rgime statiqueDispositif exprimentalTransport de la puissanceSuperposition de la puissance et des donnes changesCaractrisation en rgime dynamiqueConclusion et perspectives


Dispositif exprimentalAjout de deux coupleurs 95/5


Dispositif exprimental

Objectifs :tude en fonction de la puissance de la SLHPtude de la conversion O/E de la puissanceTransport de la puissanceModule de conversion O/E


tude en fonction de la puissance de la SLHPTransport de la puissance


3 montages dassociation des PPCSrieParallleHybride srie/parallle

Rendement de conversion O/E et puissance lectriqueEfficacit des 3 montages similairesTransport de la puissance : conversion O/ELe choix est conditionn par le niveau de tension lectrique requis par le terminal


Dispositif exprimentalSuperposition de la puissance et des donnes changesSource laser = 1551 nm0 dBm-3 dBmObjectifstude de la propagation des donnesMesure de lamplification des donnes


tude des donnes en fonction de la puissance de la SLHPSuperposition de la puissance et des donnes changes


Bilan de liaison des donnes

volution du bilan de liaison similaire en co- et en contra-propagation partir de 25 dBm : amplification non ngligeableEntre 33 dBm et 35 dBm : compensation des pertes partir de 35 dBm : diminution de lamplificationSuperposition de la puissance etdes donnes changes


Comparaison modle mesures de lvolution des niveaux de puissance en sortie de la fibre

Comportement similaire de l'volution des puissances -> validation du modle d'un point de vue qualitatifSuperposition de la puissance etdes donnes changesPuissanceDonnes descendantesDonnes montantesASE


Transmission de la puissance et des donnesAmplification Raman des donnesTransfert de puissance de 1480 nm vers lASE autour de 1583 nm

Compromis (Plectrique, GainDonnes, Rapport S/B)Synthse de la caractrisation en rgime statique

PSLHP (dBm)Plectrique (mW)GainDonnes (dB)Rapport S/B (dB)Co-prop.Contra-prop.Co-prop.Contra-prop.30855,25,529,528,9331609,910,332,528,8362177,88,826,120,9


PlanContexteArchitecture du dispositif exprimentalModlisation des phnomnes optiquesCaractrisation en rgime statiqueCaractrisation en rgime dynamiqueDispositif exprimentalQualification de la transmission des donnesConclusion et perspectives


Dispositif exprimentalDispositif tester


MesuresTaux derreur binaire (BER)Diagramme de lilDispositif exprimental-13 dBm maxMesure -18 dBmDbit : 150 Mbit/sTaux de modulation : 0,5PSLHP =0 mW33 dBm36 dBm


Superposition de la puissance et des donnes changes : BER et diagramme de lil

Ligne de base et systme sans puissance : transmission correcteImportante dgradation du signal en co-propagationQualification de la transmission des donnesDgradation de la qualit des donnes ->Transfert de RINTransfert du bruit de la pompe vers un signal, caus par la diffusion RamanTransfert non-symtrique*Transfert de RIN dpend de : gain Raman, longueur de la fibre, longueur donde des donnes* [Fludger 2001] C.R.S. Fludger, V. Handerek, et R.J. Mears, Pump to Signal RIN Transfer in Raman Fiber Amplifiers, Journal of Lightwave Technology, vol. 19, no 8, pp. 11401148, 2001.


Comparaison des mesures de BERQualification de la transmission des donnes


Tableau de synthse

Compromis (Plectrique , GainDonnes , Rapport S/B, BER)Choix : PSLHP = 33 dBm

Consommation lectrique de linterface lectronique :145 mW au maximum

Synthse

PSLHP(dBm)Plectrique(mW)GainDonnes (dB)Rapport S/B (dB)BERCo-prop.Contra-prop.Co-prop.Contra-prop.Co-prop.Contra-prop.30855,25,529,528,9< 1.10-10< 1.10-10331609,910,332,528,85.10-7< 1.10-10362177,88,826,120,91.10-12.10-8


PlanContexteArchitecture du dispositif exprimentalModlisation des phnomnes optiquesCaractrisation en rgime statiqueCaractrisation en rgime dynamiqueConclusion et perspectives


Dmonstration de la faisabilit dune liaison tout-optique de 10 kmTransmission de la puissance et des donnes sur une seule fibre optiquePSLHP = 33 dBmPuissance lectrique fournie : 160 mWDonnes bidirectionnelles (@ 150 Mbit/s) : BER < 10-7

Caractrisation du dispositif et tude des phnomnes optiquesTransfert de puissance de 1480 nm vers lASE autour de 1583 nmAmplification des donnesDgradation des donnes descendantes : transfert de RIN

Modlisation de la propagation des ondes optiques dans la fibrePhnomnes : diffusions Rayleigh, Raman et BrillouinModle valid qualitativementConclusion


Minimisation du transfert de RINRduction du gain Raman sur les donnes descendantesRduction de la puissance de la SLHPloignement de Donnes par rapport StokesAmlioration du RIN de la SLHP

Optimisation de larchitecture du dispositif exprimentalTerminal : Mux/Dmux (2) adapt lASE

Amlioration et exploitation du modle pour analyser l'influence des diffrents paramtres (largeur de raie 1480 nm, absence de l'ASE en sortie de la SLHP, etc.)

Application du dispositif dautres domainesMilieu hostile au cble lectrique, rseau de capteurs opto-aliments

Perspectives

Soutenance de thse de doctorat, F. Audo, 03/12/2012

Merci de votre attention !

Opto-alimentation et transmission de donnes par fibre optique pour les observatoires de fond de merFrdric Audo

Directeurs de thse : Jean Le Bihan et Andr PrennouLab-STICC, UMR CNRS 6285, ENIB


Multiplexeur/Dmultiplexeur (Mux/Dmux)Combinaison ou sparation des ondes optiques de longueurs dondes diffrentes : la puissance et les donnesChoix : 1475 1485 nm (puissance) 1545 1555 nm (donnes)

Dispositif exprimental : composantsDcalage Stokes prendre en compte


Module de conversion O/EChoix : couplage de 6 dB = 4 voiesChangement de larchitecture au niveau du terminal

Conversion O/E


Brlure de la fibreFibre optique sous torsion : absorption de la forte puissanceExemple : brlure si la fibre forme une boucle de moins de 1 cm de diamtre

Contamination dun connecteurAbsorption de la puissance au niveau du connecteur si celui-ci est contamin par un dpt50 70% de pertes optiques supplmentairesDommages de la forte puissanceAvant contaminationAprs contamination


Effet fiber fuseDclenchement et propagation de la fusion dans la fibre

Fibre optique monomode SMF-28 sous contrainte :Puissance de seuil = 1,35 WLimitation de ce phnomne : pissures privilgies aux connecteurs

Dommages de la forte puissanceDirection de propagation du faisceau laser

Ocans : 70% du globe, peu explors, interactions avec la surface Observatoires de fond de mer : dfinition Observatoires de fond de mer autonome et liaison acoustique : mesures priodiques, nergie de batteries, dure limite 1 an Observatoires cbl : mesures en temps rel, long terme, et nergie fournie par cble, dure estime 25 ansIl est difficile dtendre ou de relocaliser un observatoire cbl pour installer de nouveaux instruments dans une zone dintrt situ prs de lobservatoire existant, et ce avec flexibilit et moindre cotProblmes : approvisionnement en nergie et observatoire non-flexible Solution : projet opto-alimentation Cble fibre optique : moins lourd et moins coteux quun cble lectro-optique Dploiement simplifi laide dun ROVObjectifs du projetvaluer la faisabilit du transport de lnergie et des donnes sur une ou plusieurs fibres optiquesConcevoir un terminal lectrique faiblement consommant connect au niveau du capteurTester un dmonstrateur en milieu marin, dploy une distance maximale de 10 km et connect une bote de jonction- Puissance sur fibre : transporter de lnergie sous forme optique en profitant des avantages de la fibre optiquePuissance sur fibre : transporter de lnergie sous forme optique en profitant des avantages de la fibre optique 1mW limite dpasser Choix fibre optique monomode : composants utiliser tous fibrs en monomode, composants standardsCe choix a un impact sur nos rsultats dans la suite Choix longueur donde : compromis entre lattnuation dans la fibre, la disponibilit des lasers fibrs et le rendement de conversion O/E => Fentre de transmission retenue autour de 1550 nm SLHP : source laser fibre amplification Raman, mettant 1480 nm, 10 W (40 dBm) Laser de donnes : laser DFB 1550 nm, 30 mW (14,8 dBm) Mux/Dmux : combine et spare la puissance et les donnes Circulateurs : grent les flux de donnes descendant et montant SLHP : source laser fibre amplification Raman, mettant 1480 nm, 10 W (40 dBm) Laser de donnes : laser DFB 1550 nm, 30 mW (14,8 dBm) Mux/Dmux : combine et spare la puissance et les donnes Circulateurs : grent les flux de donnes descendant et montant SLHP : source laser fibre amplification Raman, mettant 1480 nm, 10 W (40 dBm) Laser de donnes : laser DFB 1550 nm, 30 mW (14,8 dBm) Mux/Dmux : combine et spare la puissance et les donnes Circulateurs : grent les flux de donnes descendant et montantCaractrisation de la PPC : influence de la charge rsistive optimale et de la puissance incidente Augmentation de la puissance incidente => Diminution de la charge rsistive optimale et du rendement de conversion O/E Diminution de la conversion O/E au-del de 25 dBm incident Problme rsoudre : conserver le rendement optimal de la PPC (entre 20% et 27%) forte puissance il faut moins de 25 dBm incident sur la PPC -> fractionner la puissance incidente PPC limit 100 mW -> il faut plus de PPC pour obtenir plus de 100 mW- Problme : conserver un rendement de conversion O/E 25% lorsque Pincidente entre 26 dBm et 32 dBm- Ide : fractionnement de la puissance incidente avec un coupleur vers plusieurs PPC

Coupleur 1 vers 4 : environ 6 dB de pertes supplmentaires pour les donnesExplication ASEMesures exprimentales = spectres dmission des lasersPhnomnes prendre en compte Diffusion Raman spontane 1550 nm et autour de 1583 nm Diffusion Raman stimule de 1480 nm vers 1550 nm (co et contra prop.) et autour de 1583 nm Diffusion Raman stimule de 1550 nm autour de 1583 nm Diffusion Brillouin entre londe transmise et londe rtrodiffuse pour chaque onde ; on considre que le dcalage en longueur donde est tellement faible que londe rtrodiffuse a la mme longueur donde Rtrodiffusion Rayleigh : cause des rflexions dans le matriau, il se cre une onde rtrodiffuse, qui est amplifie par diffusion Raman Double rtrodiffusion Rayleigh : cause des rflexions du matriau, londe rtrodiffuse et amplfie est son tour rtrodiffuse et amplifie ; la puissance de cette onde doit tre ajoute celle de londe correspondantePp, Pa et Pd dfinir- Rfrence gR : gR Max = 1.10-13 m.W-1 pour : Stokes = 1000 nm

Mesures exprimentales = spectres dmission des lasers- 1480 nm : augmentation jusqu 33 dBm mis, puis diminution=> transfert de puissance autour de 1583 nm- 1550 nm co- et contra-propagatifs : amplification des donnes et diminution partir de 33 dBm mis=> amplification Raman et diminution de la rserve dnergie 1480 nm- 1583 nm : augmentation significative partir de 33 dBm mis=> transfert de puissance de 1480 nm

Ajout de coupleurs 95/5 : prlvement de 5% des ondes pour suivre lvolution de la propagation en entre et en sortie de la fibre optiqueCoupleurs Ultra-large bande (1450-1605 nm)3 montages dassociation des PPC : parallle, srie et hybride srie/parallle Mesure du rendement et de la puissance lectrique : comportement des 3 montages similaires rendement de conversion O/E environ gal 20 % puissance lectrique recueillie suprieure 100 mW si P(SLHP) est suprieure 30 dBm 1 objectif validTransmission des deux longueurs dondes ralises- Pour complter les mesures prcdentes - Diminution de lamplification partir de 35 dBm cause du transfert de puissance de 1480 nm autour de 1583 nmCorrection qualitative : gR nouveau = gR.84%

Signal transmis correctement dans le systme, en co- comme en contra-propagation en labsence de puissanceDgradation mesure que le gain et la puissance augmententImportante dgradation du signal en co-propagation : transfert de RIN

BER en fonction de la puissance dtecteCoupleur 1 vers 4 : environ 6 dB de pertes supplmentaires pour les donnes

Frédéric Audo Directeurs de thèse : Jean Le Bihan et André Pérennou Lab-STICC, UMR CNRS 6285,...

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