OPTO-ELECTRONIQUE

Composants photoniques et fibres optiques

Serge MONNERETInstitut Fresnel – CNRS – Marseille

serge.monneret@fresnel.frtel : 04 91 28 80 52

Contenu du cours - Plan

1. Fibres optiquesIntroductionPropagation dans les fibres optiquesFibre à saut d'indice / à gradient d'indiceLa fibre réelle : dispersion - atténuationFabrication des fibres optiquesCâbles à fibres optiques

2. Sources lumineuses3. Détecteurs de lumière4. Réseaux de communications optiques

Rappel : types de fibres

Fibre à saut 200/380grande dispersionBP = 10-50 Mhz / km

Fibre à gradient62.5/125 universités50/125 télécoms localesBP = 200-1500 MHz / km

Fibre à saut 200/38010/125 télécom grande distanceBP > 10 Ghz / km

Dispersion et atténuation dans les FO

Dispersion

Deux types de dispersion :

1- Dispersion chromatique n = n() donc v = c/n = v()

2- Dispersion intermodale v = f(mode)

Fibre monomode : uniquement dispersion chromatiqueFibre multimode : dispersion chromatique + intermodale

propagation dans la fibre

Dispersion intermodale

saut d'indice : SI = L (ON)2 / (c.nc) avec O.N. nc (2)1/2

gradient d'indice : gr L nc 2 / (8c) (gradient optimal)

SI / gr

A.N. nc = 1.5 = 0.01 L = 1 km SI = 100 ns d'où BP = 10 MHz gr = 0.06 ns d'où BP = 16 GHz

Dispersion chromatique

SMF = Single Mode Fiber

Fibres actuelles optimisées : = quelques ps km-1 nm-1 autour de 1.3 µm

Dispersion chromatique

Affaiblissement du signal

Définition de l'atténuation :

Si l'on injecte une puissance lumineuse Po à l'extrémité d'une fibre, on ne récupère qu'une

fraction P1 de Po à l'autre extrémité.

L'atténuation de la fibre est le rendement exprimé en décibel sous la forme

A (dB) = 10 Log10 (P1 / P0)

Rappels :

A = 0 dB : P2 = P1

A = -1 dB : P2 = P1/1.26A = -3 dB : P2 = P1/2A = -20 dB : P2 = P1/100

Rq : dBm : valeur de P2 lorsque P1 = 1 mW0 dBm = 1 mW -10 dBm = 0.1 mW

• Pertes par ABSORPTION

• Pertes par DIFFUSION

• Autres (couplage)

Origines de l'atténuation

• Pertes par ABSORPTION

Mécanismes de l'absorption

Absorption intrinsèque : interaction lumière/silice0.1 dB/km pour = 0.8 µm

0.02 dB/km pour = 1.5 µm

1 dB/km pour = 1.8 µm

Absorption extrinsèque : interaction lumière/impuretés130 dB/km pour = 0.85 µm pour 1 ppm de Fe

60 dB/km pour = 1.38 µm pour 1 ppm d'OH-

Mécanismes de la diffusion

Diffusion Rayleigh : > diamètre des défautsElle provient des variations de l'indice de réfraction du matériau sur des longueurs inférieures à la longueur d'onde de la lumière ; elle se traduit par une perte de puissance lumineuse inversement proportionnelle à 4 (loi de Rayleigh)

Diffusion de Mie : < diamètre des défauts

Atténuation des fibres de silice

Relevé expérimental de l'atténuation en fonction de

Décroissance d'ensemble en -4 : diffusion Rayleigh

absorption OH60 dB/km pour 1 ppm

Atténuation des fibres de silice

Quelques caractéristiques de fibres commerciales

Les pertes aux épissures

Les grandes classes de connexion

a) Les divers types de verre

b) Le matériau

Les verres à composants multiples

Ils sont élaborés à partir de la silice à laquelle sont rajoutés des oxydes ou des carbonates le tout étant fondu dans un creuset en platine

Méthode du double creuset

Méthode du ‘ barreau dans le tube ’

Les verres à haute teneur en SiO2

Ils sont obtenus par oxydation en phase vapeur de particules de SiCl4.

La variation d ’indice est obtenue par dopage, en proportion contrôlées, avec des oxydes tels que GeO2 (oxyde de Germanium), P2O5 (oxyde de Phosphore), B2O3 (oxyde de Bore) ou SiF4 (fluorure de silicium)

(dB/km) impuretés 1% d’énergie aprèsBouteille 2 000 000 10 kg/tonne 1 cmVitre 200 000 1 kg/tonne 10 cmOptique 2000 10 g/tionne 10 mSilice 0.2 1 mg/tonne 100 km

22C1700

24 Cl 2SiO O SiCl

Les différents types de verre

transparenceexceptionnelle !!

La préforme

En fabrication, tout commence par ce qu'on appelle la préforme.Une préforme est un tube en verre possédant les propriétés géométriques et optiques qui devront être celles de la fibre in fine. De chaque préforme naîtra une centaine de kilomètres de fibre optique.

La préforme est l'image de la fibre optique (coefficient 320)

Obtention de préformes en verres à composants multiples

barreau dans le tube double creuset

Méthode d'oxydation en phase vapeur (CVD)

Préforme à gradient d'indice

distribution du germanium par imagerie X

Le fibrage

précision : 0.5 µm

T° constante = 2100 °C

Le fibrage

vitesse de fibrage : de 80 à 120 m / min

Fibres optiques plastiques

Autre solution : verre + plastiqueA = 10 dB / km

Fibres à maintient de polarisation

Fibres à cristaux photoniques

Ces câbles sont un assemblage de câbles monofibre autour d ’un renfort central

Une ou plusieurs fibres nues sont placées dans un tube extrudé

Les câbles à fibres optiques

• Câble monofibre– La fibre est placée dans un tube de 900 microns de diamètre en

gel de silicone puis renforts kevlar / plastique

• Câbles à structure serrée

• Câbles à structure libre ou tubée

Structure en jonc rainuré :

L ’élément central est un jonc cylindrique rainuré en plastique extrudé autour d ’un porteur central en fils d ’acier torsadés. Chaque jonc peut avoir 5 à 12 rainures et chaque rainure peut contenir une ou plusieurs fibres. Par assemblage de joncs, on peut fabriquer des câbles contenant jusqu ’à 1000 fibres.

Les câbles à fibres optiques

Prix des composants

Fibres optiques, catalogue général électronique 2005 :

plastique diam 1 mm, gaine 2.2 mm, indice = 1.492, 150 dB/km @650 nm175 € / 100m

Silice à gradient d'indice, diam gaine ext = 2.8 mmrayon de courbure dynamique : 50 mmrayon de courbure statique : 30 mm

50/125, BP > 350 MHz.km : 280 € pour 100 m62.5/125, BP > 160 MHz.km : 290 € pour 100 m

Module Laser @ 670 nm (fibres plastiques)1 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 17.60 € TTC5 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 18.60 € TTCdurée de vie : 50000 Hdiamètre spot : 10 mm à 30 m