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?
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