LES FIBRES OPTIQUES

LES FIBRES OPTIQUES

Pierre LECOY

Professeur ECP /ENSEA

Option ESE 2009

Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 2

FIBRES OPTIQUESAvantages des fibres optiques :• Performances de transmission :

très faible atténuationtrès grande bande passantemultiplexage en longueur d’onde possible

• Avantages de mise en oeuvre :faible poids, très petite taille, grande souplessesécurité électrique (isolation) et électromagnétique

• Avantage économique :coût global du système souvent inférieur à celui d'un système “ sur cuivre ”

0,2 dB/km

Portée > 100 km

10/40 Gbit/s par

Plusieurs Tbit/s !

Insensible aux perturbations

Sécurité des informations


Insensibilité aux perturbations

FIBRES OPTIQUESDomaines d’utilisation :• Télécommunications et réseaux :

Liaisons longue distance, terrestres et sous-marines (WAN)Réseaux métropolitains (MAN)Réseaux locaux informatiques (LAN)Réseaux d’accès des abonnés

• Capteurs et instrumentation optique

• Transport de lumière

Marché fortement cyclique

Toujours en croissance

Redémarrage du marché(FTTH)

éclairage, visualisation, faisceaux laser …

• Liaisons industrielles et embarquées :contrôle, video, bus de terrain …interconnexions dans une carte ou une puce


FIBRES OPTIQUES

• Eléments d’un système sur fibres optiques :

signalélectrique

Interface Optique d'Emission

Fibre Optique

signalélectrique

(IOE)

Interface Optique deRéception (IOR)

(signal optique)

multiplexeur

Amplificateur optique(répéteur-régénérateur pour les

anciennes liaisons)


revêtement

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES

• A saut d’indice (step index) :

Cône d'acceptance

0

z

Cœur (indice n1) r

a b

Gaine (indice n2)

n(r)

Rayon guidé

Rayon réfracté

Angle limite : n1.cos 0 = n2

ouverture numérique ON = sin 0 = n1 sin0 = 22

21 nn

Forte différence de temps de propagation



• A gradient d’indice (graded index) :Cœur : indice n(r) r

0z

a b

Gaine (indice n2)

n(r)

n1

Indice du cœur : n(r) = n1

Différence relative d’indice =

2)r/a(21

1

21

nnn

Faible différence de temps de propagation


FIBRES OPTIQUES MULTIMODESà saut d’indice à gradient d’indice

Dispersion intermodale

élevée(im 100 ns/km)

faible(im 1 ns/km)

MatériauxPlastique

Silice/siliconetoute silice (rare)

Toute silice(cœur « dopé » à l’oxyde de

germanium)

Ouverture numérique

élevée(ON = 0,4 à 0,5)

plus faible(ON = 0,2 à 0,3)

Puissance couplée élevée plus faible

Applications Optiques (éclairage, etc …)Trans. données très courte

distance

réseaux locaux

distribution



• Réponse impulsionnelle h(t) :

t

Impulsion émisee(t)

t

Impulsions reçuess(t) = e(t)*h(t)

im

fibre à gradient d'indice

im

fibre à saut d'indiceEffet de la dispersion

intermodale

• Elargissement total d’impulsion : 2

im2c

Effet de la dispersion

chromatique



• Réponse fréquentielle :

- 3 dB

20 log H(f)/H(0)

f0

• Bande passante :BP 1/2

BP (gi)

fibre à gradient d'indice

BP (si)

fibre à saut d'indice

en MHz.km

• le produit longueur x bande passante est constant

approximativement


FIBRES OPTIQUES MONOMODES• Condition de propagation monomode :

V (fréquence réduite) = < 2,4

• il faut donc :• un petit diamètre de cœur (typ. moins de 10 µm) • une faible différence d’indice (typ. moins de 0,5%)

c longueur d’onde de coupure• Avantages : - pas de dispersion intermodale

Applications en instrumentation

22

21 nna2

très grande bande passante très hauts

débits

• Inconvénient : raccordements très précis donc coûteux

Ce n’est pas la fibre qui est chère !

mais pas infinie (dispersions chromatique

et de polarisation)

- conservation de la cohérence de la lumière


0

FIBRES OPTIQUES MONOMODES• Caractéristiques : Divergence du

faisceau en sortie : 0 = w0

Profil gaussien du champ

E(r) = E0. exp -(r/w0)2

r

n2

n(r)n1 z

gaine

cœur 2a

r

E(r)

2w0

Profil à saut d’indice(fibre standard)

diamètre de modeaugmente avec


FIBRES OPTIQUES MONOMODES• Dispersion chromatique :

– entraîne un élargissement d’impulsion :c = Dc. .L

Défauts de la fibre + biréfringence induite

(contraintes … )ps/nm/km

• Dispersion de polarisation (PMD, polarisation mode dispersion)

• existence de 2 polarisations de vitesses différentes

• entraîne un élargissement : p = PMD.L

ps/km Caractère aléatoire


DISPERSION CHROMATIQUE• Courbe dans la silice : Dc = DM + DG

Dc (ps/nm/km)

m

40

20

0

-20

-40

1 1,2 1,4 1,6

Dispersion matériau DM

Fibre standard G652 : optimale à 1,3 m utilisable à 1,5 m (liaisons pas trop longues)

Fibre à dispersion décalée(DSF) G653 nulle à 1,55 m

Fibre NZ-DSF G655(non zero – dispersion shifted fiber)Dispersion faible dans toute la 3ème fenêtre

Adaptée au WDM(mux. en longueur

d’onde)+ compensation optique de la dispersion

Pas adaptée au WDM

Dispersion guide < 0 dépend des paramètres

de la fibre


ATTENUATION• Atténuation intrinsèque des fibres de silice :

Diffusion Rayleigh

Pic OH

1ère 2ème 3ème fenêtre

fibre multimode

coupure des modesd’ordre supérieur

fibre monomode

Absorption infrarouge

0,1

5

2

(dB / km)

1

0,5

0,2

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 µm


Quelques applications :Capteurs mécaniques

Pinces de contrôle de trafic

PERTES EXTRINSEQUES• Fuite de lumière ….

– par courbureou microcourbures

– aux raccordements

• réduites par …• le choix de la fibre (forte ON)• la structure du câble• la précision des connecteurs


FENETRES DE TRANSMISSION• sur fibres optiques de silice :

Fenêtre Première Deuxième Troisième

Longueur d'onde 0,78 à 0,9 µm 1,3 µm 1,5 à 1,6 µm

Type de fibre utilisées

multimodemultimode etmonomode monomode

Atténuationtrès faible

(0,2 dB/km)

Dispersionchromatique

faible, non nulletrès faible dans les

fibresà dispersion décalée

faible(0,4 à 1 dB/km)

forte(2 à 4 dB/km)

forte

quasi nulle


FENETRES DE TRANSMISSIONFenêtre Première Deuxième Troisième

Emetteurs :

type

DEL ;lasers VCSEL

(très hauts débits)

D.E.L.(multi-)D.L. standard (dans mono-)

diodes laser DFB(monochromatiques)

Récepteurs : matériau

Silicium GaInAsP / InPGe, HgCdTe (très peu employés)

Coût descomposants

faible moyen élevé

Applications

Transmissions courte distance ;réseaux locaux ;

gigabit à très courte distance

Transmissions moyennes et

longues distance ; MAN et LAN

haut débit

Transmissionstrès longue distance

(WAN) et à amplification optique

Multiplexage

entre les deux fenêtres(par exemple : une par sens)

"Dense"(nombreux canaux

dans la même fenêtre)

GaInAsP / InPmatériau GaAlAs/GaAs

FTTH


PRINCIPAUX TYPES DE FIBRESMatériau Plastique Toute silice (cœur « dopé » au GeO2)

Type Multimode saut d’indice

Multimode gradient d’indice

Monomode standard

Monomode disp. décalée

Diamètrescœur / gaine (m)

980/1000 50/125 62,5/125 9/125 7/125

Longueurs d’ondeet atténuation

Visible200 dB/km

0,85 µm – 1,3 µm3 dB/km – 0,9 dB/km

1,3 – 1,55 µm0,5 – 0,2 dB/km

1,5 à 1,6 µm0,22 dB/km

Débits typ.et distances

10 à 100 Mb/s

100 m

100 Mb/s /5 km

1 Gb/s /400 m

100 Mb/s

2 km

1 à 10 Gbit/s20 à 50 km

n x 10 Gbit/smilliers de km

Mise en œuvrepb. particuliers

Facile température

Assez facile Plus délicateraccordements

Coût global Faible Assez faiblePlus élevé (interfaces,

connecteurs)

Applicationsprincipales

Eclairage, visualisation,

trans. données très courte

distance

Distribution, LANs hauts

débits(GE courte distance)

LANs tous débits

LANs très hauts débits,

MANs,FTTH/PON,

moyennes dist.

Liaisons très longues (avec amplificateurs

et WDM)


CABLES A FIBRES OPTIQUES

Doc. ACOME


CONNECTEURS OPTIQUES

Grande variété !


COMPOSANTSDES SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES

Type

Technologie

Optique

passif

Optique

actif

Optique non réciproque

Opto-électronique

Verres(fibres assemblées

ou substrats de verre)

CoupleursFiltres

AtténuateursMultiplexeurs

Commutateurs (lents)

Amplificateurs à fibres ou

verres dopés

Cristauxde type LiNbO3

id.Modulateurs

CommutateursIsolateurs

Semi-conducteurs

III – V ou Si

id. id. Amplificateurs

à s-c

Emetteurs

Récepteurs


COUPLEURS

• Coupleur en X • Coupleur en Y

fibres abrasées et collées, ou fusionnées par la tranche

demi-coupleur en X

• partage de la puissance en 2 parts, égales ou non (splitter)

-3dB

• regroupement de signaux

! pertes réciproques

-3dB


COUPLEUR EN ETOILE

• à fibres torsadées et fusionnées

perte : 10 log n (théorique)+ perte en excès

Pe

Pe/n

n fibres


MULTIPLEXAGE EN LONGUEUR D’ONDE

Différents types :

• à deux voies (ou deux fenêtres) ;peu sélectif

Intérêts : - augmente la capacité des liaisons (même déjà installées)

- permet des réseaux multiterminaux

• à plusieurs voies proches :DWDM, Dense Wavelength

Division Multiplexing

CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing


MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE

• de type : à deux voies,technologie à filtres dichroïques

entre deux fenêtres de transmission

Filtre dichroïque

1 et 2 1, transmis

2 réfléchi

Permet le multiplexage de signaux en sens

identiques ou opposés


MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE

• Principe du réseau de diffraction (grating) diffraction par une surface gravée + interférences

ordre 2

ordre 1

sin m = m

onde plane incidente (fibre accès commun)

Vers fibres à accès sélectif

Applications :• (dé)multiplexeurs en • analyse spectrale


fibre (ou guide) optique

zone où l’indice est modulé périodiquement (pas = )

RESEAUX DE BRAGGBragg gratings

• Principe des réseaux de Bragg photoinscrits :

une seule longueur d’onde est réfléchie:celle pour laquelle il y a accord de phaseentre les réflexions élémentaires : = .2n

• Applications : filtres, (dé)multiplexeurs, capteurs d’allongement

les autres sont transmises


MULTIPLEXEUR D’INSERTION- EXTRACTION

• OADM, Optical Add-Drop Multiplexer

• permet d’extraire un signal, et d’en insérer un autre à sa placesans démultiplexer l’ensemble

i extrait(signal 1)

i inséré(signal 2)

réseau de Bragg à i

circulateurs


MODULATEUR OPTIQUE

• Interféromètre de Mach – Zehnder : utilisation de l’effet électro-optique en optique intégrée

+V

-V

: rien

EntréeSortie

Bras de l'interféromètre

= 0 : tout

électrodes

Applications :• Modulation tout ou rien

• Modulation analogique (en cos2)• Modulation de phase à 2 états

avec = (formats duobinaire ou DPSK)

Le champ modifie l’indice, donc la phase


MODULATEUR OPTIQUE

lumière continue

Signal (10 à 40 Gbit/s)

lumière modulée

• pour modulation externenécessaire à très haut débit

à plus bas débit, la modulation interne est

possible, et plus économique


COMMUTATEURS OPTIQUES• Technologies :

Rapidité Encombrementconsommation

Capacité Applications

Mécanique 100 ms importantfaible

Faible Sécurisationde réseaux

Micromécanique (MEMS)

ms faiblemoyenne

Elevée Brasseurs(matrices)

Optique intégrée(acousto- ou electro-optique)

µs à ns importantélevée

Assezfaible

Commutation temporelle

3D(ex. holographiques)

ms / s moyenfaible (LCD)

Trèsélevée

Brasseurs(matrices)


COMMUTATEUR OPTIQUE

• « switch » à deux voies

Doc. DICON Mode de fonctionnement


COMMUTATEUR OPTIQUE• Matrices de commutation à micromiroirs

Exemple de réalisation en MOEMS(Micro Optical Electrical Mechanical Structure) ; Lucent, 2000


MATERIAUX ELECTROLUMINESCENTS

• Semi-conducteurs III-V : III IV V

B C N

Al Si P

Ga Ge As

In Sn SbGaAs 1ère fenêtre infrarouge ( = 900 nm)

Ga1-x Alx As entre 700 et 900 nm en fonction (décroissante) de x

Ga1-x Inx Asy P1-y 2ème ou 3ème fenêtre infrarouge

( = 1200 à 1600 nm en fonction croissante de x et y)Ga1-x Inx Asy Sb1-y autour de 2,5 µm

Ga Asx P1-x du jaune au rouge

GaP vert ( = 565 nm)

GaAlP rouge à haut rendement

GaN/InGaN bleu ( = 440 nm) lecture de disques optiques, visualisation …

• DEL blanches : par phosphorescence d’un matériau excité dans le bleu


EMETTEURS

• Diodes électro-luminescentes :

-

Emission dans la deuxième ou troisième fenêtre

(suivant composition de la couche active)

InP

n

p

+

GaInAsP

première fenêtre

Couches de

Couche active

substrat

Emission dans la

confinement

GaAs

GaAlAs

pn

+

-

GaAlAs

Principe de l’hétérojonction

Photons émisPhotons émis


Emission facearrière

Couches deconfinement

L

Isolant

Ruban Contactconducteur

Couche activeGaAlAs

Contactconducteur

Substrat

DIODES LASER

• Structure Fabry Pérot

Amplificationsi J > Jth

+ résonancepour p = 2Ln/p

Courant supérieur à un seuil

Spectre multimode (large)

courant

Emission face avantdiverge du fait de la diffraction


EMETTEURS

• Diodes laser : structure DFB(distributed feed-back)

Réseau de diffractionintégré sur le guide

Ruban enterré(couche active)

GaInAsP

Réflexion distribuéed’une seule longueur d’onde

n

Spectre monomode (étroit)

Composant coûteux !

coupe du coin

p

Substrat (InP)

npnn


Couche active

Miroir de Bragginférieur

Miroir de Braggsupérieur

Substrat

Contactsélectriques

EMETTEURS• Diodes laser : structure VCSEL

Composant de hautes performances mais économique à fabriquerApplications à 850 nm : courte distance et (très) hauts débits (10 Gbit/s)

lecture optique, impression …..

Test possible sur wafer

Emission de lumière(vertical cavity surface emitting laser)


Type DEL Laser VCSEL Laser FP Laser DFB

Puissance couplée 10 à 100 µW qq. mW qq. mW qq. mW

Emissionpar la surface,

divergentepar la surface, peu divergente

par la tranche, assez divergente

par la tranche, assez divergente

Longueurs d’onde 0,85 et 1,3 µm 0,85 µm 1,3 µm 1,3 et 1,55 µm

Spectre largeétroit

(une raie)assez large

(plusieurs raies)très étroit

(une raie très fine)

Caract. P(i) linéaire seuil, 5 à 10 mA seuil, 10 à 30 mA seuil, 10 à 30 mA

Fréquence max. de modulation 100 à 200 MHz plusieurs GHz

Coût très faible faible assez élevé élevé

Utilisations

transmission à courte distance

sur fibres multimodes

haut débit (typ. GE) à courte distance,

fibres multi. + lecture optique, imprimantes …

haut débit sur fibres monomodes à 1,3 µm, FTTH

très haut débit sur fibres mono.

surtout à 1,55 µm, systèmes WDM

EMETTEURS POUR FIBRES OPTIQUES

En recul


EMETTEURS

• Différents boîtiers : • Module à diode laser

Doc. NORTEL

en embase de connecteur

à fibre amorce


RECEPTEURS• Principe de la photodiode PIN

PhotonsCouche anti-reflets

Zoned'absorption

Substrat

p+

i

n

R

VE

Sensibilité spectrale :

S

1 m

GaInAsSi

iS = S.P photocourant

S sensibilité de la photodiode (en A/W) = q/hiD courant d'obscurité

trousélectrons

non dopée(i = intrinsèque)

i = iS + iD

responsivityBruit quantique :<iq

2> = 2q.i.Fdark current


PEB. Féquivalente

BRUIT DU RECEPTEUR

• Modèle (simplifié) :Bruit de fond électronique

<iF2> indépendant de P

iS=S.PP

Bruit quantique (ou bruit de grenaille)

<iq2> = 2qSP.F

Rapport signal / bruit : RSB = (SP)2

<iq2> + <iF2>

Puissance équivalente de bruit : PEB = SF/i2F

pW/Hz

d’où RSB = FPEB

P2

2

optique


TRANSCEIVER• Module d’émission - réception

Doc. NORTEL


AMPLIFICATION OPTIQUE• Principe dans une fibre dopée Erbium :

(EDFA, erbium doped fiber amplifier)

à 0,8 µm

Absorption :

à 0,98 µm à 1,48 µm

niveaux d'énergie

niveaux élargis par effet Stark

E

transitions non radiatives

transition radiativeà 1,536 µm

Amplifie autour de 1,5 m

Autres matériaux :

Neodyme (Nd) à 1,06 m


amplification

AMPLIFICATION OPTIQUE• Spectre dans l’erbium :

Spectre d'émission(fluorescence)

1,45 1,50 1,55 1,60 µm

Section efficace

(10-25 m2)

6

4

2

0

pompage

Spectred'absorptionAmplifie de nombreuses

longueurs d’onde


fibre amplificatrice

AMPLIFICATEUR OPTIQUEA FIBRE DOPEE ERBIUM

• Schéma (amplificateur unidirectionnel, pompage vers l'aval) :

= soudure

diode laserde pompe

Photodiodede contrôle

filtreisolateur sortieisolateurentrée

Multiplexeur

fibres adaptatrices

• avantages : amplifie un grand nombre de longueurs d’ondes• simple car pas d’électronique haut débit

• mais … pas de régénération ne compense pas la dispersion accumulation du bruit et des effets non linéaires

LES FIBRES OPTIQUES

Documents

Transcript of LES FIBRES OPTIQUES