Fibres optiques
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COMMUNIQUER OU SIMULER DES VAGUES AVEC UN LASER DANS UNE FIBRE OPTIQUE Guy MILLOT Solitons - Lasers Communications Optiques - SLCO CNRS / Université de Bourgogne Franche-Comté http://icb.u-bourgogne.fr/ Sauvons le climat / Bourgogne Franche-Comté AGROSUP-EDUTER Dijon 8 octobre 2015 PLAN Lasers Fibres optiques La lumière pour communiquer par fibres optiques La lumière pour générer des continuums “arcs-en-ciel laser” Ondes solitaires – solitons La lumière pour reproduire et comprendre la formation d’ondes scélérates 2 STRUCTURE ET PRINCIPE D’UN LASER pompage optique : excitation du milieu actif milieu actif réflexion totale Faisceau Laser résonnateur optique réflexion partielle Emission stimulée + 1 photon + atome excité atome stable 2 photons 3 HISTORIQUE DU LASER 1917 – Albert Einstein (prix Nobel Physique 1921) : Découverte de l’émission stimulée 1950 – Alfred Kastler (prix Nobel Physique 1966) : Découverte de la technique de pompage optique 1953 – Charles Townes (prix Nobel Physique 1964) : Premier MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 1958 – Townes et Arthur Schawlow (prix Nobel Physique 1981) : Principe de réalisation du LASER 1960 – Theodore Maiman : Mise au point du premier LASER 10 prix Nobel de Physique dans le domaine des lasers !! 4 CARACTERISTIQUES D’UN FAISCEAU LASER Unidirectionnel Soleil Source Ampoule Pointeur Laser Laser CO2 Laser MegaJoule sur cible 8 1000 4 x 106 > 1021 Intense Intensité (W / m2 ) à la surface de la terre Monochromatique Cohérent 1400 à1 m Lumière naturelle Faisceau Laser Les ondes émises sont en phase 5 POURQUOI UTILISER LA LUMIÈRE POUR COMMUNIQUER ? RAYONS γ ν (Hz) Fibres optiques Satellites 100 nm RAYONS X 1018 Micro-ondes ULTRAVIOLET 1016 1 µm VISIBLE 1 nm Lumière 10 µm 0,1 cm INFRAROUGE 10 cm MICRO-ONDES ONDES HERTZIENNES TV 1014 200 000 GHz 1012 1010 λ 10 m RADIO 108 106 10 GHz SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE Les communications optiques autorisent des débits 20 000 fois supérieurs à ceux des liaisons micro-ondes par satellites 6 APERÇU HISTORIQUE DES COMMUNICATIONS OPTIQUES Le premier téléphone sans fil de l’histoire de l’humanité Cornet dirigeant la voix sur un diaphragme Faisceau issu de la lumière du soleil Miroir parabolique Modulation de la lumière par les vibrations du diaphragme Hautparleur Cellule en Sélénium Principe du photophone d’Alexander Graham Bell Transmetteur photophone utilisant la modulation par la voix de la lumière du soleil réfléchie par un miroir En 1880, après avoir réussi une transmission sur 200 mètres, A.G. Bell écrivit : « J’ai entendu un discours articulé produit par la lumière du soleil ! J’ai entendu un rayon du soleil rire, tousser et même chanter. » 7 COMMENT GUIDER LA LUMIÈRE SUR DE LONGUES DISTANCES ? Principe d’une fontaine lumineuse Expérience de Tyndall montrant le Récipient rempli d’eau guidage d’un faisceau lumineux par un jet d’eau Jet d’eau 8 COMMENT GUIDER LA LUMIÈRE SUR DE LONGUES DISTANCES ? Principe d’une fontaine lumineuse Source de lumière Expérience de Tyndall montrant le Récipient rempli d’eau guidage d’un faisceau lumineux par un jet d’eau Jet d’eau Rayon lumineux guidé 9 QU’EST-CE QU’UNE FIBRE OPTIQUE ? Propagation guidée Constitution d’une fibre optique monomode Avantages Très faibles pertes Insensibilités aux parasites électromagnétiques Faible encombrement et coût relativement faible 10 PRINCIPE DES COMMUNICATIONS NUMÉRIQUES Signal analogique Conversion d’un signal analogique en un signal numérique binaire Echantillonnage Temps Quantification 1 Giga (G) = 109 = 1 milliard 1 Tera (T) = 1012 = 1000 milliards Temps Codage binaire Exemples : 1 Gb/s, 1 Tb/s Séquence binaire un bit « 1 » = présence d’une impulsion durant le temps bit Temps Bit Signal optique Temps Impulsion optique Temps un bit « 0 » = absence d’une impulsion durant le temps bit 11 PRINCIPE D’UNE COMMUNICATION PAR FIBRE OPTIQUE Séquences d’impulsions électriques (bits) Signal électrique Codeur Signal optique Laser Modulateur Séquences d’impulsions optiques Décodeur Fibre optique Signal électrique Détecteur optique Séquences d’impulsions électriques 12 UNE VÉRITABLE TOILE DE FIBRES OPTIQUES SOUS LES MERS Le réseau mondial des liaisons sous-marines à fibres optiques : une véritable toile infrarouge sous les mers ! Les fibres actuellement installées permettent des débits de 10 à 40 Gb/s 13 PROPAGATION D’UNE IMPULSION DANS UNE FIBRE OPTIQUE Les communications optiques à ultra hauts débits (plusieurs dizaines de Gb/s) nécessitent des impulsions picosecondes Une picoseconde (10-12 s) est le temps mis par la lumière pour parcourir 0.3 mm dans l’air (en une seconde la lumière parcourt environ la distance Terre-Lune) La propagation d’une impulsion picoseconde dans une fibre optique est assujettie à trois phénomènes physiques majeurs Pertes Atténuation Dispersion Etalement Non-linéarité Distorsion 14 PROPAGATION D’UNE IMPULSION DANS UNE FIBRE OPTIQUE Pertes Atténuation 15 PROPAGATION D’UNE IMPULSION DANS UNE FIBRE OPTIQUE Pertes (dB/km) Evolution des pertes dans une fibre optique en silice en fonction de la longueur d’onde 0.27 dB/km à 1330 nm 0.20 dB/km à 1550 nm Longueur d’onde (nm) 16 COMPENSATION DES PERTES Amplification optique 30 à 50 km TL Amplificateur Fibre Amp Amplificateur Fibre Fibre R Amp Transmetteur Laser Récepteur Amplificateur optique à fibre dopée Erbium Diode laser Pompage optique Fibre dopée à l’erbium Signal amplifié Isolateur Coupleur Signal d’entrée Soudures 17 DISPERSION CHROMATIQUE DE LA LUMIÈRE DANS UN VERRE Dans un verre la vitesse de propagation de la lumière dépend de la longueur d’onde ou couleur (dispersion chromatique) autre exemple n = n(λ) Dispersion chromatique de la lumière blanche 18 INFLUENCE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE SUR LA PROPAGATION DES IMPULSIONS DANS UNE FIBRE OPTIQUE Dispersion Etalement 19 UN AUTRE EXEMPLE DE DISPERSION Groupe de coureurs cyclistes 20 DISPERSION CHROMATIQUE DES FIBRES OPTIQUES La dispersion chromatique dans une fibre optique est caractérisée par un coefficient nommé β 2 Fibre à dispersion décalée (DSF) Dispersion positive Dispersion négative 1.55 µm 1.31 µm Fibre standard (SMF) Variation du coefficient de dispersion β 2 avec la longueur d’onde 21 INFLUENCE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE SUR LA PROPAGATION DES IMPULSIONS DANS UNE FIBRE OPTIQUE La vitesse de propagation de la lumière dans un verre est inversement proportionnelle à l’indice de réfraction La vitesse de propagation dépend donc de la longueur d’onde v = v (λ) Cas d’une dispersion positive (β 2 > 0) : le rouge se propage plus vite que le bleu Cas d’une dispersion négative (β 2 < 0) : le bleu se propage plus vite que le rouge 22 COMMENT COMBATTRE LA DISPERSION ? EXEMPLE D’UNE TRANSMISSION À 10 Gb/s SMF + Fibre à dispersion Négative Fibre standard DCF Fibre à dispersion Positive Fibre compensatrice Propagation dans la fibre SMF Dans la fibre standard le bleu se propage plus vite que le rouge, tandis que dans la fibre compensatrice, le rouge se propage plus vite que le bleu Les effets de dispersion se compensent si β 2SMF LSMF + β 2DCF LDCF = 0 Propagation dans la fibre DCF 23 COMPENSATION DE LA DISPERSION : ANALOGIE AVEC LE GROUPE DE COUREURS CYCLISTES 24 INFLUENCE DE LA NON LINÉARITÉ SUR LA PROPAGATION DES IMPULSIONS DANS UNE FIBRE OPTIQUE Dans un verre la vitesse de propagation dépend de l’intensité de l’onde qui le traverse (effet Kerr optique) n = n(λ) + n2I dispersion chromatique non linéarité Kerr Les différentes parties d’une impulsion se propagent à des vitesses différentes L’impulsion va se déformer durant sa propagation. La non linéarité induit une distorsion des signaux 25 PROPAGATION D’UNE IMPULSION DANS UNE FIBRE OPTIQUE Non-linéarité Distorsion 26 27 GÉNÉRATION DE CANAUX WDM PAR FILTRAGE D’UN SUPERCONTINUUM Arc-en-ciel Laser Fibre Puissance (dBm/nm) LASER Longueur d’onde (nm) 28 GÉNÉRATION DE CANAUX WDM PAR FILTRAGE D’UN SUPERCONTINUUM Génération de plusieurs canaux de transmission par filtrage spectral d’une seule source laser Supercontinuum Puissance (dBm/nm) Canaux de transmission WDM λ1 λ2 λ3 …. Longueur d’onde (nm) 29 30 PEUT ON COMBATTRE LA DISPERSION À ULTRA HAUT DÉBIT ? EXEMPLE D’UNE TRANSMISSION À 320 Gb/s Durée des impulsions : 0.6 ps Propagation dans la fibre SMF Propagation dans la fibre DCF A ultra hauts débits les effets non linéaires induisent des distorsions et la compensation de la dispersion chromatique n’est plus parfaite 31 DES MILLIONS DE CONVERSATIONS DANS UNE SEULE FIBRE OPTIQUE Un débit de 160 Gb/s permet 2,5 millions de liaisons téléphoniques ! 1 600 canaux de télévisions numériques à haute résolution ! Capacité de transmission la transmission simultanée de : Années Nécessité de renforcer les recherches fondamentales ! 32 COMMENT COMBATTRE LA NON LINÉARITÉ ? UN CADEAU DE LA NATURE : LE SOLITON DISPERSION + NON LINEARITE SOLITON Le soliton est une onde localisée qui se propage sans déformation et conserve, de plus, ses caractéristiques (forme et vitesse) après collision avec un autre soliton collision entre deux solitons Distance (km) Temps (ps) 33 EXEMPLES DE SOLITONS Collision de deux solitons à la surface de l’océan Collision de deux solitons de faible amplitude photographiée sur une plage de l'état d'Oregon sur la côte ouest des Etats-Unis 34 EXEMPLES DE SOLITONS Mascarets Mascaret dans l’estuaire de la Gironde, au confluent de la Garonne et de la Dordogne 35 EXEMPLES DE SOLITONS Tsunamis : des océans pas si pacifiques que cela ! Tsunami au Japon le 11 mars 2011 36 EXEMPLES DE SOLITONS Morning Glory Morning Glory en Australie 37 EXEMPLES DE SOLITONS Chaîne mécanique Soliton Kink généré le long d’une chaîne de pendules couplés 38 BREF HISTORIQUE DES SOLITONS → Ondes solitaires découvertes en hydrodynamique par John Scott-Russell en 1834 1808-1892 Reproduction de l’onde solitaire de John Scott Russell à l’occasion de la conférence Nonlinear Coherent Structures in Physics and Biology 1829-1917 (Edimbourg 1995) → Deuxième expérience en hydrodynamique par Henri Bazin en 1863 dans une dérivation du canal de Bourgogne derrière le parc de la Colombière 39 EXPÉRIENCES SUR LES SOLITONS DANS UN CANAL HYDRODYNAMIQUE Canal du département de physique de l’Université de Bourgogne 18 m écluse eau + colorant 40 EXPÉRIENCES SUR LES SOLITONS DANS UN CANAL HYDRODYNAMIQUE Canal du département de physique de l’Université de Bourgogne 18 m écluse eau + colorant 41 EXPÉRIENCES SUR LES SOLITONS DANS UN CANAL HYDRODYNAMIQUE Canal du département de physique de l’Université de Bourgogne 18 m écluse eau + colorant 42 VAGUE DÉFERLANTE 43 SOLITON 44 COLLISION DE SOLITONS 45 AUTRE EXEMPLE DE SOLITON : LES VAGUES SCÉLÉRATES Les vagues scélérates sont des vagues océaniques très hautes (qui peuvent atteindre plus de 30m), soudaines et considérées comme très rares Les phénomènes extrêmes ont, malgré leur rareté, un fort impact sociétal 46 LE SOLITON DE PEREGRINE : PROTOTYPE D’UNE VAGUE SCÉLÉRATE Elevation de la surface (m) Vague du nouvel an Draupner, 1995 Temps (s) 1938 -2007 Soliton de Peregrine (1983) : localisé à la fois dans le temps et dans l’espace 47 OBSERVATION DU SOLITON DE PEREGRINE DANS UNE FIBRE OPTIQUE Caractérisation (b) Fibre LASER Façonnage (a) Expériences réalisées à Dijon en 1990 par B. Kibler, K. Hammani, C. Finot, G. Millot … Entrée de la fibre (a) Sortie de la fibre 16 milliards de solitons de Peregrine observés par seconde !! (b) 48 CONCLUSION Le Laser a révolutionné le monde technologique Imagerie du vivant : microscopie optique Médecine, chirurgie Cellules vues par fluorescence Détatouage au laser Caractérisation de la matière Télécommunications Fabrication d’une fibre optique Industrie Recherche ChemCam installé sur le Rover Curiosity Soudage laser Vague scélérate 49 MERCI POUR VOTRE ATTENTION et MERCI à : Centre National de la Recherche Scientifique Université de Bourgogne Franche-Comté (UBFC) Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Conseil Régional de Bourgogne Laboratoire d’excellence ACTION 50
![cahier_descharges_diode[1]](http://s1.studylibfr.com/store/data/000193458_1-ed2550a0be242d3899cf0878a5b1e976-300x300.png)
