Télécommunications optiques

Télécommunications
optiques
Fibres Optiques
Michel Aubès
CPAT - Université Paul Sabatier
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Fibres optiques
Plan du cours
 Introduction
 Théorie des fibres optiques
 Caractéristiques des fibres optiques
 Technologie des fibres optiques
Fibres optiques
Introduction
 Système de télécommunications optiques
 Présentation des fibres optiques
 Intérêt
 Caractéristiques
 Types de fibres
Introduction
Télécommunications optiques (1)
Télécommunications optiques :
un système d ’avenir vieux comme le monde !!
Message
codé
Détecteur :
oeil
Transmission
à vue
Source de lumière :
feu, soleil
Introduction
Télécommunications optiques (2)
SYSTEME DE TELECOMMUNICATIONS
signal
Emission
Canal de
transmission
parole, image….
signal électrique
modulation, codage
multiplexage
Réception
signal
démultiplexage
détection
signal électrique
parole, image...
Introduction
Télécommunications optiques (3)
Canaux de transmission
 Espace libre
Faisceaux hertziens (≈250 MHz à 22 GHz)
Liaisons satellites (6/4GHz(C),14/11GHz(Ku), 30/20GHz(Ka)
 Guides d ’ondes métalliques
Lignes TEM (du Mhz au GHz)
 Espace libre en optique
(≈3.1014 Hz soit 300 TéraHertz)
 Guides d ’ondes diélectriques (fibres optiques)
(≈3.1014 Hz soit 300 TéraHertz)
Domaines de fréquence des ondes électromagnétiques
(P-G. FONTOLLIET, Systèmes de télécommunications, Ecole Polytechnique de Lausanne)
Introduction
Télécommunications optiques (4)
Intérêt du domaine optique
Transmission en bande de base
ou
modulation d ’une porteuse
Encombrement des
différents signaux :
Son (téléphone)
Son (Hi Fi)
Vidéo
3 KHz
20 KHz
6 MHz
Plus la fréquence
est élevée,
plus on peut
envoyer de signaux
différents sur le
même canal
Introduction
Télécommunications optiques (5)
Transmission en espace libre (FSO) dans le domaine optique
Pertes importantes dues à
√ l ’étalement du faisceau
√ l ’absorption et la diffusion par l ’atmosphère
Les conditions de propagation dépendent fortement des
conditions atmosphériques.
 La transmission optique en espace libre est une solution peu
coûteuse qui est réservée à des liaisons particulières à courte
distance.
 Pour des liaisons longue distance, on choisit la solution de
la transmission en optique guidée.
Atténuation linéique dans l ’atmosphère
(P-G. FONTOLLIET, Systèmes de télécommunications, Ecole Polytechnique de Lausanne)
Introduction
Présentation des fibres optiques(1)
Guide d’ondes diélectriques :
Guidage des ondes électromagnétiques à l’interface de
deux diélectriques
Guide cylindrique
« fibre optique »
rayon b
rayon a
Guide planaire
gaine
gaine
(cladding)
coeur
gaine
L’onde électromagnétique se propage dans le cœur
(optique car faible absorption dans le domaine optique)
cœur (core)
Présentation des fibres optiques(2)
Intérêt des fibres optiques
√ Largeur de bande utile très importante
Capacité de transmission (potentiellement 100 Tbits/s)
√ Affaiblissement faible (0,2 dB/km)  Distance entre
régénérateurs importante (100 km)
√ Isolement électrique
√ Insensibilité aux perturbations électromagnétiques
√ Bonne adaptation aux techniques de transmission numérique
√ Encombrement, poids, flexibilité mécanique
Présentation des fibres optiques(3)
Caractéristiques des fibres optiques
Ouverture numérique :
indice n0
qL
ON (NA) = n0sinqL
ex : ON = 0,2  qL=12°
Présentation des fibres optiques(4)
Caractéristiques des fibres optiques
Atténuation (linéique) a en dB/km
a dépend de l ’absorption par des impuretés et de la diffusion :
les progrès dans l ’élaboration des matériaux ont permis le
développement de la fibre optique pour les télécommunications.
On parle parfois d ’atténuation intrinsèque.
a dB
F0=100
F0
10log
F
L
F = 10
Quelle longueur pour une transmission de 10% ?
1968
L=10m
1975
L=500m
1990
L=50km
Présentation des fibres optiques(5)
Caractéristiques des fibres optiques
Atténuation (linéique) a en dB/km
Verre
Taux
d’impuretés
Atténuation
en dB/km
L pour 1%
transmission
Bouteille
10 kg/tonne
2.106
1 cm
Vitre
1 kg/tonne
2.105
10 cm
Lunettes
100 g/tonne
2.104
1m
Optique
10 g/tonne
2.103
10 m
Sodocalcique
100 mg/tonne
20
1 km
Silice
1 mg/tonne
0,2
100 km
Présentation des fibres optiques(6)
Caractéristiques des fibres optiques
(P-G. FONTOLLIET, Systèmes de
télécommunications,
Ecole Polytechnique de Lausanne)
Présentation des fibres optiques(7)
Caractéristiques des fibres optiques
Dispersion  Débit numérique et bande passante d ’une fibre
Dispersion : la vitesse de propagation dépend de la fréquence.
La relation b(w) n ’est pas représentée par une droite passant
par l ’origine (b est la constante de propagation - déphasage
par unité de longueur ).
wb.c
w
vide, milieu non dispersif
diélectrique non dispersif
propagation avec dispersion
(dans un guide d ’ondes
métallique par exemple)
wb.v
b
Présentation des fibres optiques(8)
Caractéristiques des fibres optiques
Vitesse de phase, vitesse de groupe,
dispersion de vitesse de groupe
w
Vitesse de phase v 
b
w
pente  vg
dw
Vitesse de groupe v g 
db
Dispersion de vitesse de
groupe, si vg dépend de w
pente vf
b
Présentation des fibres optiques(9)
Caractéristiques des fibres optiques
Conséquences de la dispersion
Réponse impulsionnelle : élargissement des impulsions
st
t
Fibre
Limitation du débit numérique
t
Présentation des fibres optiques(10)
Caractéristiques des fibres optiques
Conséquences de la dispersion
Réponse fréquentielle : atténuation aux hautes fréquences
F
F
DFe
DFr
Fibre
Fe
Fr
t
Atténuation intrinséque
a i  10log
Fe
Fr
t
Atténuation modulation`
DFe
a m  10log
DFr
Présentation des fibres optiques(11)
Caractéristiques des fibres optiques
Transmission
Réponse
atténuation intrinséque
Fréquentielle :
Dispersion
-3 dB
sf
Limitation de la bande passante
Pour un profil gaussien :
sf 
1
2s t
f
Présentation des fibres optiques(12)
Caractéristiques des fibres optiques
Introduction
Types de fibres optiques (1)
Fibres en silice (SiO4)
•Fibres performantes
•Inconvénients : coût, fragilité, rayon de courbure
 Fibres multimodes à saut d ’indice
 Fibres multimodes à gradient d ’indice
n(r)
r
n(r)
r
Fibres 50/125/250, 62,5/125/250, 100/140/250
(Diamètre cœur/diamètre gaine/diamètre extérieur en mm)
Introduction
Types de fibres optiques (2)
 Fibres monomodes
Fibres monomodes particulières
(Fibres à dispersion décalée (DSP))
Fibres verre/plastique
PCS (Plastic Clad Silica)
Fibres plastique
1 à 2 mm de diamètre
Bon marché, forte atténuation
Introduction
Système de télécommunications à fibres optiques
Ce que l ’on va étudier :
(B.E.A. SALEH, M.C. TEICH, Fundamentals of photonics, Wiley)
(Z. TEFFANO,
Optoélectronique
Ellipses)