Fibres optiques

LES FIBRES OPTIQUES
Pierre LECOY
Professeur ECP /ENSEA
Option ESE 2009
FIBRES OPTIQUES
Avantages des fibres optiques :
0,2 dB/km
• Performances de transmission :
Portée > 100 km
très faible atténuation
10/40 Gbit/s par l
très grande bande passante
multiplexage en longueur d’onde possible Plusieurs Tbit/s !
• Avantages de mise en oeuvre :
Insensible aux
faible poids, très petite taille, grande souplesse perturbations
sécurité électrique (isolation) et électromagnétique
• Avantage économique :
coût global du système souvent inférieur
à celui d'un système “ sur cuivre ”
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
Sécurité des
informations
2
FIBRES OPTIQUES
Domaines d’utilisation :
Marché fortement
cyclique
• Télécommunications et réseaux :
Liaisons longue distance, terrestres et sous-marines (WAN)
Réseaux métropolitains (MAN)
Toujours en croissance
Réseaux locaux informatiques (LAN)
Réseaux d’accès des abonnés
Redémarrage du marché
(FTTH)
• Liaisons industrielles et embarquées :
contrôle, video, bus de terrain …
Insensibilité aux
interconnexions dans une carte ou une puce
perturbations
• Capteurs et instrumentation optique
• Transport de lumière
éclairage, visualisation, faisceaux laser …
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3
FIBRES OPTIQUES
• Eléments d’un système sur fibres optiques :
Amplificateur optique
Interface Optique d'Emission
(IOE)
signal
électrique
(répéteur-régénérateur pour les
anciennes liaisons)
multiplexeur
Fibre Optique
(signal optique)
Interface Optique de
Réception (IOR)
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signal
électrique
4
FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• A saut d’indice (step index) :
Cône d'acceptance
Rayon réfracté
Q0
0
Cœur (indice n1)
n(r)
q0q0
a
revêtement
r
z
b
Rayon guidé
Gaine (indice n2)
Forte différence
de temps de
propagation
Angle limite : n1.cos q0 = n2
ouverture numérique ON = sin Q0 = n1 sinq0 = n12n22
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FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• A gradient d’indice (graded index) :
Cœur : indice n(r)
r
n(r)
0
z
a
b
n1
Gaine (indice n2)
Faible différence
de temps de
propagation
Indice du cœur : n(r) = n1 12D(r/a)2
Différence relative d’indice D = n1 n2
n1
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FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
Dispersion
intermodale
Matériaux
Ouverture
numérique
Puissance
couplée
Applications
à saut d’indice
à gradient d’indice
élevée
faible
(Dtim  100 ns/km)
(Dtim  1 ns/km)
Plastique
Silice/silicone
Toute silice
toute silice (rare)
(cœur « dopé » à l’oxyde de
germanium)
élevée
plus faible
(ON = 0,4 à 0,5)
(ON = 0,2 à 0,3)
élevée
plus faible
Optiques (éclairage, etc …)
Trans. données très courte
distance
réseaux locaux
distribution
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FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• Réponse impulsionnelle h(t) :
Impulsion émise
e(t)
Effet de la
dispersion
chromatique
Impulsions reçues
s(t) = e(t)*h(t)
Effet de la
dispersion
intermodale
fibre à gradient d'indice
Dt im
fibre à saut d'indice
Dt im
t
t
• Elargissement total d’impulsion :
2
Dt = Dtc2Dtim
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8
FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• Réponse fréquentielle :
20 log H(f)/H(0)
0
BP (si)
BP (gi)
f
- 3 dB
• Bande passante :
BP  1/2Dt
fibre à gradient d'indice
fibre à saut d'indice
en MHz.km
approximativement
• le produit longueur x bande passante est constant
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FIBRES OPTIQUES MONOMODES
• Condition de propagation monomode :
V (fréquence réduite) = 2a n12n22 < 2,4
l
• il faut donc :
•
•
mais pas infinie
(dispersions chromatique
et de polarisation)
un petit diamètre de cœur (typ. moins de 10 µm)
une faible différence d’indice (typ. moins de 0,5%)
l > lc longueur d’onde de coupure
• Avantages : - pas de dispersion intermodale
- conservation de la cohérence de la lumière
très grande
bande passante
 très hauts
débits
• Inconvénient : raccordements très précis
donc coûteux
Ce n’est pas la fibre
qui est chère !
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Applications en
instrumentation
10
FIBRES OPTIQUES MONOMODES
• Caractéristiques :
Divergence du
faisceau en sortie :
q0 = l/w0
Profil à saut d’indice
(fibre standard)
r
gaine
r
n1
z
E(r)
n(r)
q0
n2
2w0
2a
cœur
E(r) = E0. exp -(r/w0)2
diamètre de mode
augmente avec l
Profil gaussien
du champ
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FIBRES OPTIQUES MONOMODES
• Dispersion chromatique :
– entraîne un élargissement d’impulsion :
Dtc = Dc. Dl.L
ps/nm/km
• Dispersion de polarisation
Défauts de la fibre +
biréfringence induite
(contraintes … )
(PMD, polarisation mode dispersion)
• existence de 2 polarisations de vitesses différentes
• entraîne un élargissement : Dtp = PMD. L
ps/km
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Caractère
aléatoire
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DISPERSION CHROMATIQUE
• Courbe dans la silice : Dc = DM + DG
Dc (ps/nm/km)
dépend des paramètres
de la fibre
Dispersion
matériau DM
40
Fibre à dispersion décalée
(DSF) G653 nulle à 1,55 mm
20
0
-20
-40
Dispersion guide < 0
1
1,2
1,4
l (mm)
1,6
Fibre NZ-DSF G655
Pas adaptée
au WDM
(non zero – dispersion shifted fiber)
Dispersion faible dans toute la 3ème fenêtre
Fibre standard G652 : optimale à 1,3 mm
utilisable à 1,5 mm (liaisons pas trop longues)
+ compensation optique de la dispersion
Adaptée au WDM
(mux. en longueur d’onde)
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ATTENUATION
• Atténuation intrinsèque des fibres de silice :
a (dB / km)
Absorption infrarouge
Diffusion Rayleigh
coupure des modes
d’ordre supérieur
5
2
1
0,5
0,2
Pic OH
fibre multimode
fibre monomode
0,1
1ère
0,6
0,8
2ème
1,0
1,2
3ème
1,4
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
1,6
fenêtre
l
1,8 µm
14
PERTES EXTRINSEQUES
• Fuite de lumière ….
– par courbure
ou microcourbures
– aux raccordements
• réduites par …
Quelques applications :
Capteurs mécaniques
• le choix de la fibre (forte ON) Pinces de contrôle de trafic
• la structure du câble
• la précision des connecteurs
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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
multimode
multimode et
monomode
monomode
Atténuation
forte
(2 à 4 dB/km)
faible
(0,4 à 1 dB/km)
très faible
(0,2 dB/km)
Dispersion
chromatique
faible, non nulle
forte
quasi nulle
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
très faible dans les
fibres
à dispersion décalée
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FENETRES DE TRANSMISSION
Fenêtre
Emetteurs :
type
matériau
Récepteurs :
matériau
Coût des
composants
Applications
Multiplexage
Première
Deuxième
Troisième
DEL ;
lasers VCSEL
D.E.L.(multi-)
D.L. standard
diodes laser DFB
(très hauts débits)
(dans mono-)
GaAlAs/GaAs
Silicium
(monochromatiques)
GaInAsP / InP
GaInAsP / InP
Ge, HgCdTe (très peu employés)
faible
Transmissions
courte distance ;
réseaux locaux ;
gigabit à très
courte distance
moyen
élevé
Transmissions
Transmissions
moyennes et
très longue distance
longues distance ;
(WAN) et à
MAN et LAN
amplification optique
haut débit
entre les deux fenêtres
FTTH
(par exemple : une par sens)
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"Dense"
(nombreux canaux
dans la même fenêtre)
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PRINCIPAUX TYPES DE FIBRES
Toute silice (cœur « dopé » au GeO2)
Matériau
Plastique
Type
Multimode
saut d’indice
Diamètres
980/1000
50/125
Longueurs d’onde
et atténuation
Visible
200 dB/km
0,85 µm – 1,3 µm
3 dB/km – 0,9 dB/km
Débits typ.
et distances
10 à 100 Mb/s
100 m
Mise en œuvre
Facile
pb. particuliers
température
Coût global
Faible
cœur / gaine (mm)
Applications
principales
Multimode gradient
d’indice
100 Mb/s /5 km
1 Gb/s /400 m
62,5/125
100 Mb/s
2 km
Assez facile
Assez faible
Eclairage,
visualisation,
trans. données
très courte
distance
Distribution,
LANs hauts
débits
(GE courte
distance)
LANs tous
débits
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
Monomode
standard
Monomode
disp. décalée
9/125
7/125
1,3 – 1,55 µm
0,5 – 0,2 dB/km
1,5 à 1,6 µm
0,22 dB/km
1 à 10 Gbit/s
20 à 50 km
n x 10 Gbit/s
milliers de km
Plus délicate
raccordements
Plus élevé (interfaces,
connecteurs)
LANs très
hauts débits,
MANs,
FTTH/PON,
moyennes dist.
Liaisons très
longues (avec
amplificateurs
et WDM)
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CABLES A FIBRES OPTIQUES
Doc. ACOME
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
19
CONNECTEURS OPTIQUES
Grande
variété !
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
20
COMPOSANTS
DES SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES
Type
Technologie
Optique
passif
Verres
Coupleurs
Filtres
Atténuateurs
Multiplexeurs
(fibres assemblées
ou substrats de
verre)
Cristaux
Optique
actif
Optique
Optonon réciproque électronique
Amplificateurs
à fibres ou
Commutateurs
verres dopés
(lents)
Modulateurs
de type LiNbO3
id.
Commutateurs
Semi-conducteurs
III – V ou Si
id.
id.
Isolateurs
Amplificateurs
à s-c
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
Emetteurs
Récepteurs
21
COUPLEURS
• Coupleur en X
• Coupleur en Y
demi-coupleur en X
fibres abrasées et collées,
ou fusionnées par la tranche
-3dB
-3dB
• partage de la puissance en 2 parts, égales ou non (splitter)
• regroupement de signaux
! pertes réciproques
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
22
COUPLEUR EN ETOILE
• à fibres torsadées et fusionnées
Pe
n fibres
perte : 10 log n
(théorique)
+ perte en excès
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
Pe/n
23
MULTIPLEXAGE EN
LONGUEUR D’ONDE
Différents types :
• à deux voies (ou deux fenêtres) ;
l
peu sélectif
• à plusieurs voies proches :
l
DWDM, Dense Wavelength
Division Multiplexing
l
CWDM, Coarse Wavelength
Division Multiplexing
Intérêts : - augmente la capacité des liaisons
(même déjà installées)
- permet des réseaux multiterminaux
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24
MULTIPLEXEUR EN
LONGUEUR D’ONDE
• de type : à deux voies,
technologie à filtres dichroïques
Filtre
dichroïque
l2,
réfléchi
l1 et l2
l1, transmis
entre deux fenêtres de transmission
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
Permet le multiplexage
de signaux en sens
identiques ou opposés
25
MULTIPLEXEUR EN
LONGUEUR D’ONDE
• Principe du réseau de diffraction (grating)
diffraction par une surface gravée + interférences
Vers fibres à
accès sélectif
ordre 2
L
q2
q1
ordre 1
onde plane incidente (fibre accès commun)
Lsin qm= m l
Applications :
• (dé)multiplexeurs en l
• analyse spectrale
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
26
RESEAUX DE BRAGG
Bragg gratings
• Principe des réseaux de Bragg photoinscrits :
zone où l’indice est modulé périodiquement (pas = L)
fibre (ou guide) optique
une seule longueur d’onde est réfléchie:
celle pour laquelle il y a accord de phase
entre les réflexions élémentaires :
l = L.2n
les autres sont transmises
• Applications : filtres, (dé)multiplexeurs, capteurs d’allongement
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
27
MULTIPLEXEUR
D’INSERTION- EXTRACTION
• OADM, Optical Add-Drop Multiplexer
réseau de Bragg à li
circulateurs
li extrait
(signal 1)
li inséré
(signal 2)
• permet d’extraire un signal, et d’en insérer un autre à sa place
sans démultiplexer l’ensemble
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
28
MODULATEUR OPTIQUE
• Interféromètre de Mach – Zehnder :
utilisation de l’effet électro-optique en optique intégrée
+V
électrodes
f
Entrée
Sortie
f = 0 : tout
2f =  : rien
Bras de
l'interféromètre
Le champ modifie
l’indice, donc la phase
f
Applications :
• Modulation tout ou rien
-V • Modulation analogique (en cos2f)
• Modulation de phase à 2 états
avec f =  (formats duobinaire ou DPSK)
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
29
MODULATEUR OPTIQUE
lumière continue
lumière modulée
Signal (10 à 40 Gbit/s)
• pour modulation externe
nécessaire à très haut débit
à plus bas débit, la modulation
interne est possible, et plus
économique
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
30
COMMUTATEURS OPTIQUES
• Technologies :
Rapidité Encombrement Capacité Applications
consommation
Mécanique
100 ms
important
Faible
Sécurisation
de réseaux
Elevée
Brasseurs
faible
Micromécanique
(MEMS)
Optique intégrée
ms
moyenne
µs à ns
(ex. holographiques)
important
élevée
(acousto- ou electro-optique)
3D
faible
ms / s
moyen
faible (LCD)
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(matrices)
Assez
faible
Très
élevée
Commutation
temporelle
Brasseurs
(matrices)
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COMMUTATEUR OPTIQUE
• « switch » à deux voies
Doc. DICON
Mode de fonctionnement
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
32
COMMUTATEUR OPTIQUE
• Matrices de commutation à micromiroirs
Exemple de réalisation en MOEMS
(Micro Optical Electrical Mechanical Structure) ; Lucent, 2000
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33
MATERIAUX ELECTROLUMINESCENTS
• Semi-conducteurs III-V :
GaN/InGaN
GaP
Ga Asx P1-x
GaAlP
lecture de
bleu (l = 440 nm)
disques optiques,
vert (l = 565 nm)
visualisation …
du jaune au rouge
rouge à haut rendement
1ère
III
IV
V
B
C
N
Al
Si
P
Ga
Ge
As
In
Sn
Sb
GaAs
fenêtre infrarouge (l = 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
(l = 1200 à 1600 nm en fonction croissante de x et y)
Ga1-x Inx Asy Sb1-y
autour de 2,5 µm
• DEL blanches : par phosphorescence d’un matériau excité dans le bleu
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
34
EMETTEURS
• Diodes électro-luminescentes :
Photons émis
GaAlAs
GaAlAs
Couches de
confinement
+
p
n
Couche active
GaAs
Principe de
l’hétérojonction
Photons émis
-
n
GaInAsP
p
InP
substrat
+
-
Emission dans la
première fenêtre
Emission dans la deuxième
ou troisième fenêtre
(suivant composition de la couche active)
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
35
DIODES LASER
• Structure Fabry Pérot
Courant supérieur
à un seuil
L
Contact
conducteur
Emission face
arrière
Substrat
Couche active
courant
GaAlAs
Amplification
Couches de
confinement
Isolant
Ruban Contact
conducteur
Emission face avant
diverge du fait de la diffraction
Spectre multimode
(large)
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
si J > Jth
+ résonance
pour lp = 2Ln/p
l
36
EMETTEURS
• Diodes laser : structure DFB
(distributed feed-back)
Ruban enterré
(couche active)
GaInAsP
n
p
n
n
Composant coûteux !
Réseau de diffraction
intégré sur le guide
p
coupe du coin
Substrat (InP)
Réflexion distribuée
d’une seule longueur d’onde
l = 2L.n
Spectre monomode
(étroit)
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
l
37
EMETTEURS
• Diodes laser : structure VCSEL
(vertical cavity surface emitting laser)
Emission de lumière
Contacts
électriques
Miroir de Bragg
supérieur
Couche active
Miroir de Bragg
inférieur
Substrat
Test possible
sur wafer
Composant de hautes performances mais économique à fabriquer
Applications à 850 nm : courte distance et (très) hauts débits (10 Gbit/s)
lecture optique, impression …..
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
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EMETTEURS POUR FIBRES OPTIQUES
Type
DEL
Laser VCSEL
Laser FP
Laser DFB
Puissance couplée
10 à 100 µW
qq. mW
qq. mW
qq. mW
Emission
par la surface,
divergente
par 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
large
étroit
assez large
très étroit
(une raie)
(plusieurs raies)
(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
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
plusieurs GHz
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
En recul
39
EMETTEURS
• Différents boîtiers :
• Module à diode laser
à fibre amorce
en embase de connecteur
Doc. NORTEL
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
40
RECEPTEURS
• Principe de la photodiode PIN
non dopée
(i = intrinsèque)
R
Couche anti-reflets
Sensibilité spectrale :
S
p+
i
V
Photons
n
i = iS + iD
responsivity
E
Si
GaInAs
trous
Zone
électrons d'absorption
Substrat
l
iS = S.P photocourant
1 mm
S sensibilité de la photodiode (en A/W) = hq/hn
iD courant d'obscurité
Bruit quantique :
dark current
<iq2> = 2q.i.DF
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
41
BRUIT DU RECEPTEUR
• Modèle (simplifié) :
P
Bruit de fond électronique
<iF2> indépendant de P
iS=S.P
PEB. DF
équivalente
Bruit quantique (ou bruit de grenaille)
<iq2> = 2qSP.DF
Rapport signal / bruit : RSB
(SP)2
= 2
<iq > + <iF2>
Puissance équivalente de bruit : PEB =
optique
P2
d’où RSB =
PEB 2DF
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
i2F>/DF
S
pW/Hz
42
TRANSCEIVER
• Module d’émission - réception
Doc. NORTEL
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
43
AMPLIFICATION OPTIQUE
• Principe dans une fibre dopée Erbium :
(EDFA, erbium doped fiber amplifier)
niveaux d'énergie
transitions non radiatives
Absorption :
à 0,8 µm
à 0,98 µm
à 1,48 µm
Amplifie autour
de 1,5 mm
Autres
matériaux :
Neodyme (Nd)
à 1,06 mm
transition radiative
E
à 1,536 µm
niveaux élargis par effet Stark
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
44
AMPLIFICATION OPTIQUE
• Spectre dans l’erbium :
Section efficace
(10-25 m2)
6
Amplifie de nombreuses
longueurs d’onde
4
2
Spectre d'émission
(fluorescence)
Spectre
d'absorption
pompage
l
amplification
0
1,45
1,50
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
1,55
1,60 µm
45
AMPLIFICATEUR OPTIQUE
A FIBRE DOPEE ERBIUM
• Schéma (amplificateur unidirectionnel, pompage vers l'aval) :
entrée
isolateur
Multiplexeur
fibres
adaptatrices
isolateur filtre sortie
diode laser
de pompe
fibre amplificatrice
Photodiode
de contrôle
= soudure
• 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
Pierre LECOY - Fibres optiques ESE
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