Communications par Fibre Optique
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Journées X-UPS de physique Communications par Fibre Optique mercredi 14 mai 2014 Version 5.0 Philippe! Gallion TELECOM !ParisTech, Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications CNRS LTCI 46, rue Barrault, 75634 Paris ! Communications par Fibre Optique 1. 2. 3. 4. 5. Les fibres optiques ! Les fonctions optoélectroniques! La couleur! Les systèmes! Conclusion! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 2! 1! Communications par Fibre Optique 1. 2. 3. 4. 5. Les fibres optiques ! Les fonctions optoélectroniques! La couleur! Les systèmes! Conclusion! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 3! Nécessité d un guidage! ✔ ✔ ✔ ✔ Liaisons sans visibilité! Turbulence et turbidité de l atmosphère! Hydro météores! Divergence naturelle par diffraction! θ Δd d ! L ! ! ❏ θ de l ordre de grandeur de λ/d! ! ❏ Soit 10-4 rd pour d = 5 mm et λ = 0,5µ. ! ❏ Elargissement Δd =L θ , soit10cm pour L = 1km,! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 4! 2! Ce que dit Snell-Descartes! Altitude Lumière Eau Principe de Maupertuis! Indice La nature 1884! Jean-Daniel Colladon ! Principe de Fermat! ! ✔ La lumière « préfère » les endroits où l’indice de réfraction est le plus élevé! ✔ Nombreuses expériences préliminaires depuis l antiquité! ❏ Renaissance Italienne : Millefiori des verreries de Murano! ❏ Jean-Daniel Colladon, 1841 ! n sini2 > 1 ❏ John Tyndal, 1864…..! n2 i1 ✔ Loi de Snell-Descartes, réflexion totale! i2 ✔ Réflexion, et donc guidage, sans pertes! i2 n1 n2 > n1 5! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Les fibres optiques en silice! n1 n1 2a n2 Gaine n2 > n1 Cœur Cœur Gaine n1 Gaine ✔ Silice pas chère et très ductile! ✔ Changement d indice par dopage (Bore ou Germanium) ! ! !Δn = 10-2 à 10-3! ✔ Diamètre de cœur de 5 à 50µ >> longueur d onde λ! ✔ Diamètre extérieur 125µ , faible encombrement, faible poids! ✔ Un revêtement confère de bonnes propriétés mécaniques! ❏ Faibles rayons de courbures! ✔ Immunité électromagnétique! ✔ Guide diélectrique: pas de pertes intrinsèques par guidage! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 6! 3! Ouverture Numérique (ON)! Rayon à pertes ON= sin θ 0 max = 2nΔn Rayon guidé Gaine θMAX n = 1,45 Cœur Δn = 10−2 θ MAX = 10° Réflexion partielle Réflexion totale € ✔ Connexion! ❏ Aligner les cœurs! ❏ Aligner les axes! ✔ Connecteur : de 0.1 à 0.3dB! ✔ Soudure : 0.05dB! ✔ Réparations pénalisantes! 7! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Ce qu’en dit Maxwell! e (r , t ) = E (r ) exp jωt ✔ Onde monochromatique! ❏ Proche de la réalité! ❏ Généralisable en régime linéaire (Fourier)! ✔ Equation de propagation de Helmholtz! ! € ✔ Conditions aux limites! $ ωn(r) '2 ΔE (r ) + & E (r ) = 0 % c )( ❏ Continuité des champs tangents E et H aux interfaces cœur-gaine! € ✔ Solutions se propageant selon 0z! n1 ❏ Constantes de propagation réelles! ✔ La lumière « visite » aussi la gaine! ✔ Nombreuses solutions! ❏ Dimensions grandes devant la longueur d’onde! ! ! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! n2 n1 8! 4! Ce qu’en dit Maxwell x ! Guide plan! x n1 Gaine n1 n2 > n1 Cœur n1 Cœur Gaine y Gaine ✔ Problème 2D! ✔ Symétrie cylindrique! ❏ Fonctions trigonométriques! dans le cœur! ❏ Fonctions exponentielles! dans la gaine! ❏ Modes définis par 1entier! ❏ Distinction TE et TM ! V π /2 n2 y ✔ Problème 1D! ✔ Symétrie plane! N = ! Fibre optique! ❏ Fonctions de Bessel J! dans le cœur! ❏ Fonctions de Bessel K! dans la gaine! ❏ Modes définis par 2 entiers! ❏ Regroupement des mêmes constantes de propagation LPxy! aω a n22 − n12 = fréquence normalisée ∝ c λ Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! V= N = V2 2 9! Les Modes «J'entends par mode les affections d une substance (la lumière), autrement dit ce qui est dans une autre chose (la fibre optique) par le moyen de laquelle il est aussi conçu» (Spinoza, Ethique) ! ✔ Chaque mode correspond à 2 rayons faisant un angle ± θ avec l axe! ✔ Descartes et Maxwell ne sont que partiellement réconciliés! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 10! 5! Dispersion Inter-Modale 1,2 Abondance de solutions nuit gravement 1 0,8 0,6 Gaine ! 1,2 1,2 1 1,2 1 0,4 Rayon lent Rayon rapide θ 0,8 Cœur 0,2 0,8 0,6 1 0,6 0,6 0,8 1,2 0,4 0,6 1 0,4 0,4 0,2 0,2 1,2 1 1 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0,2 0,2 1,2 1 0 1 11 21 31 1 41 0 11 51 21 61 31 71 41 81 51 91 61 71 0 81 91 0 0 0 1 1 1,2 0,6 0,4 0,8 1 1 21 31 41 51 61 71 81 91 0 0,4 0,4 0,2 0,2 0 0 1 11 1 11 21 1 31 11 41 21 51 131 61 1141 71 2151 81 3161 91 4171 1 1 21 131 4111 5121 6131 71 41 1 81 511191 6121 7131 8141 9151 61 71 81 91 21 1 11 21 31 41 51 0 31 41 51 61 611 1171 2181 3191 5181 6191 71 81 91 71 41 81 51 91 61 71 81 91 temps L temps 0,6 0,6 0,2 Gaine 0 0,8 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,2 0 1,2 1,2 0,8 0,4 0,4 0,8 0,6 1,2 1 0,8 1,2 ✔ Ils existent de nombreux « modes » (rayon)! ❏ Diamètre 2a = 50µ >> λ ! ❏ Différence d indices élevée (Δn = 10-2)! ❏ Quelques centaines de modes! Δτ (θ ) = LnG θ 2 c 2 ✔ Tous modes n arrivent pas en même temps! ❏ Elargissement des impulsions proportionnel à la distance! ❏ Bande passante pour 1km = quelques 10MHz! € ✔ Correction par un gradient d indice ! ❏ ❏ ❏ ❏ L’indice décroît progressivement quand on s éloigne de l axe! Les rayons ne sont plus rectilignes! Gradient parabolique optimal! Bande passante pour 1km = quelques GHz en pratique! ! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 11! Fibre Multi Mode et Fibre Monomode Mode Fiber ou SMF)! (Multimode Fiber ou MMF et Single ! ! ! gaine gaine cœur cœur ✔ Multimode! ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ✔ Monomode! Gros coeur (de 50µm à qlq mm)! Grande différence d indice ( 10-2)! Grande ouverture numérique (10°)! Connexion facile! Plusieurs centaines de modes! Correction par gradient d indice! Débit limité! Souvent en polymère! Réseau indoor! ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ Petit coeur (10µm)! Petite différence d indice (10-3)! Petite ouverture numérique (qlq °)! Connexion délicate! Un seul mode! En silice! Grand débit! Réseau FTTH! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 12! 6! Les Fibres Monomodes! ✔ Obtenues pour ! V < 2,4 V= aω c n22 − n12 = fréquence normalisée ∝ Dimension Longueur d'onde € ✔ Le mode HE11 correspond au mode LP01! ❏ ❏ ❏ ❏ Dans le cœur : fonction de Bessel J0 ! $ ρ '2 E( ρ ) = E0 exp− & ) Dans la gaine : fonction de Bessel K0. ! %w( En pratique : fonction de Gauss! w est le rayon du champ ou la taille du spot. ! ✔ Fibres monomode usuelles! € ❏ V est choisi entre 2 et 2,4 ! ❏ 75 à 50 % de la puissance est confinée dans le cœur! ✔ Le vecteur d’onde est unique! ❏ L’ indice est un indice effectif! ❏ Pondération de l’indice des milieux! par la lumière qui les expérimente! k (ω ) = n1 ωn c n2 n1 13! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Masse M Atténuation! +e Masse m -e Force = - eE m 0 ✔ Interaction lumière matière! ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ! ! x ! ε χ (1) E Modèle de Drude-Lorentz! P( E) = 0 Oscillations, vibrations électroniques et moléculaire! Polarisation! Nombreuses résonnances! Fenêtre de transparence entre les l’absorption IR et UV de la silice! Pics d’absorption des impuretés (ion OH)! ✔ Diffusion Rayleigh ! ! x ∝ ω → i ∝ ω 2 → E et H ∝ ω 2 → E ∧ H ∝ ω 4 ∝ ✔ Diffusion non linéaire! ✔ Imperfections du guide! ✔ L’indice est complexe! n(ω ) = (n! − jn!!) ❏ n"(ω) : atténuation, choix de la longueur d’onde! ❏ n'(ω) : dispersion, débit! k (ω ) =− j α ω n' + c 2 Atténuation! Déphasage! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! 1 λ4 14! 7! Un Gisement fréquentiel énorme! Transparence dans le proche infra rouge (1250nm à 1650nn)! 1500nm correspond à une fréquence de 200THz! 1nm correspond à 125Ghz! Bande de 400nm soit 50THz! 100 XS S+ S C Bande (Xshort band) : 1250 to 1350nm! Bande (short band) :1450 to 1490nm! Bande (short band) :1500 to 1525nm! Bande (conventional band):1525 à 1565nm ! !Erbuim amplification! L Bande (long band) : 1568 to 1610nm! L+ Bande! (long band) : 1610 to 1650nm! Attenuation (dB/km) ✔ ✔ ✔ ✔ 10 400nm soit 50THz 1 0.1 ! 0.01 ! 0.8 1.2 0.4 0.6 1.0 1.4 ! ! Longueur d’onde (µm) ✔ Minimum d atténuation à 1500nm (1,5µm) : 0,2dB/km! ✔ Vulnérabilité à l eau! ✔ En pratique : Portée de 120km, avec une atténuation de 30dB! 1.6 1.8 15! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Fibres optique plastique Plastic Optical Fiber (POF)! ✔ Fibres optiques multimode en polymère! ❏ Saut d indice, cœur en Poly Méthacrylate de Méthyle (PMMA)! • En fait du plexiglas ❏ Gradient d indice, gaine en polymères fluorés (POF)! ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ Transparence entre 600 et 850 nm, ! Atténuation de l ordre de 10 dB/km ! Très gros diamètre de cœur : de 100µm à quelques mm, ! Connections faciles et connecteurs à bon marché! Manipulable par le grand public! Eska™ Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 16! 8! Quelle couleur est la plus rapide ?! 1,2 1 1,2 1 0,8 0,8 1,5 1,5 0,6 0,6 1 1 0,4 1,5 0,5 0,5 1,5 0,4 0,2 1 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 0,2 -0,5 1 -0,5 0 1 0,5 1,5 1 0 0 11 -1 11 21 0,5 -1,5 10 -1,5 -0,5 0,5 -01 0 1 11 1 21 11 1 31 21 11 31 21 31 41 51 61 71 41 51 61 71 41 51 61 71 81 81 -0,5 41 31 0 1 -1 31 51 61 71 81 91 1,5 21 1 11 41 21 31 51 41 51 61 61 71 71 81 91 61 71 81 81 91 0,5 91 -1 0 -1,5 -0,5 91 81 1 11 21 31 41 51 91 91 -1 -0,5 -1,5 -1,5 -1 -1,5 0.4 0.6 0.8 1.2 1.0 1.6 1.4 1.8 Longueur d’onde (µ) 17! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Dispersion de Vitesse de Groupe Group Velocity Dispersion (GVD) ! ✔ Les différentes composantes spectrales n ont pas la même vitesse! 1,2 L 1 0,8 1,2 1 0,8 1,5 0,6 1,5 1 1 0,6 0,5 1,5 0,4 1 1,5 0,5 0,4 0 1 11 21 31 41 51 61 71 81 1 0 91 1 0,2 -0,5 0,5 1,5 0,2 -0,5 0 -1 11 0,5 -1 10 -1,5 -0,5 0,5 -01 0 1 11 1 1 11 11 21 31 41 51 61 21 31 41 51 61 71 41 51 61 71 21 31 71 81 81 81 91 1 91 11 0 21 -1,5 91 -0,5 21 1 ! temps ! ✔ Elargissement des impulsions par propagation! Δ τ -1 0 -1,5 -0,5 1 ❏ L’ordre est fonction de la distance L! 1 α 2 + k0 + k1 (ω − ω 0 ) + k2 (ω − ω 0 ) +.... 2 2 Atténuation! Vitesse! de groupe! Dispersion! de la vitesse de groupe! 11 21 31 = DLΔλ ❏ D est la dispersion de la fibre en ps/nm/km! Vitesse de phase! 41 51 61 81 91 51 71 61 61 71 81 71 91 81 41 51 61 71 81 91 91 -1,5 ✔ Série de Taylor (enveloppe lentement variable)! k (ω ) =− j 51 -1 -1,5 ! 41 21 41 31 0,5 -1,5 -1 31 1,5 1 31 11 -0,5 ( ω0 *k0 = k (ω 0 ) = vϕ * * ∂k 1 = *k1 = ∂ω ω0 vG ) * 2 " % *k = ∂ k = ∂ $ 1 ' 2 * ∂ω 2 ω0 ∂ω # vG & * +..... D=− Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! temps 2π c k2 λ2 18! 9! Dispersion de Vitesse de Groupe Group Velocity Dispersion (GVD) ! 20 1,5 Dispersion > 0 :! 1 0,5 1,5 0 1 1 11 21 31 41 51 21 31 41 51 61 61 71 81 91 -0,5 10 0,5 1,5 -1 0 1 1 71 81 91 -0,5 0,5 -1 0 1 0 -1,5 11 11 21 31 41 51 61 71 81 91 -1,5 -0,5 t! -1 -1,5 - 10 Dispersion < 0 !: 1,5 1 1,5 0,5 1 0 1 - 20 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 11 -0,5 0,5 -1 0 21 31 41 91 31 51 41 61 51 71 61 71 81 11! 21! 31! 41! 51! 61! 71! t! 1! 11 -0,5 0,5! -1 0! -1,5 -0,5! 1! Longueur d’onde en µm 81 21 1,5! 1 -1,5 91 81! 91! -1! -1,5! ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ Dispersion > 0 : Le bleu est le plus rapide ! Dispersion < 0 : Le rouge est le plus rapide! D = 0 @ λ =1,3µ$ D = 17ps/(nm.km) @ λ =1,5µ pour le minimum d atténuation! Dilemme Cornélien : Distance ou débit ?! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 19! Limitation du débit des fibres monomodes ! 1,2 1,2 1 1 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0 0 1,2 1,2 1 1 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 0,2 0 0 1 t! 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 11 121 11 31 21 41 31 51 41 61 51 71 61 81 71 91 81 91 t! z! ! z! ✔ Mélange des impulsions successives ! ✔ Un débit numérique plus élevé implique! ❏ Impulsions plus proches et plus vulnérables! ❏ Impulsions plus courtes au spectre plus large! ✔ Le terme d’élargissement doit rester négligeable! ✔ Fibre standard (SMF) à 1500nm ! 2 1 π 2 k2 (ω − ω 0 ) L < 2 2 2 [Débit(GBit/s)] [Longueur (km)] < 6000 (Gb/s) km ❏ ❏ €❏ ❏ ! 800km de portée à 2.5Gb/s! 60km de portée à 10Gb/s! Meilleures performances à 1300nm ou avec de la compensation! Dégradation avec une source laser bon marché (chirp)! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 20! 10! Compensation de la dispersion de la vitesse de groupe ! ✔ Fibre à compensation de dispersion! ❏ Compensation de la dispersion chromatique par la dispersion de guidage! 20 Standard dispersion 10 Dispersion shifted Flat dispersion 0 - 10 - 20 0.8 0.6 ! 1.2 1.0 1.4 1.6 1.8 Wavelength in µm ✔ Fibre à dispersion négative! ✔ Traitement du signal dans les systèmes cohérents! 21! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Dispersion de Polarisation Polarization Mode Dispersion (PMD)! y $ ! t t z x dτ = dz dz − vGx vGy dτ dz ✔ Biréfringence aléatoire dans le temps et l espace! 2 2 (δτ ) = ∑ (δτ i ) ∝ longueur L i ( Δ τ = (δτ )2 ) 1/ 2 = (PMD) L1/ 2 ✔ Les fibres standard ne conservent pas la polarisation! ✔ PMD varie entre 0,05 et 0,2 ps/km 1/2! ✔ Le retard doit rester < 0,1T, où T est le temps bit! Pour L = 100km, PMD = 0,2 ps/km 1/2 , R = 1/T est limité à 50Gbit/s Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! 22! 11! Non-linéarités! ✔ La puissance optique moyenne est faible (mW)! ✔ Le champ électrique à des valeur crêtes importantes! ❏ Confinement dans le cœur ❏ Impulsions brèves ✔ Le mouvement des électrons liés n’est plus harmonique! ! ! ! !! !!! P (E ) = ε0 χ (1)E + χ (2)EE + χ (3)EEE ..... ( ) Suceptibilité du 3ieme ordre! Suceptibilité du 1er ordre! - Génération de l’harmonique 3! - Indice linéaire! - Mélange à 4 ondes! - Atténuation ! Suceptibilité du 2nd ordre! - Indice non linéaire! - 2nd harmonic génération! - Génération de somme de fréquences! - = 0 pour des molécules symétrique comme SiO2! ! ✔ La lumière modifie faiblement l’indice de la fibre (10-2)! ✔ Cumul des effets sur des grandes distances! 23! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Equation de Schrödinger non linéaire! ! ✔ Enveloppe lentement variable! Transformation de Fourier! ω − ω , z)exp (− jk z ) ω, z) = A( E( 0 0 E(t, z) = A(t, z)exp j (ω 0 t − k0 z ) ✔ Propagation sur dz avec un changement de vecteur d’onde! Δk = k − k0 E = A exp (− jk0 z ) E + dE = A exp (− jΔkz ) exp (− jk0 z ) A + dA ≈ A (1− jΔkdz ) Equation de propagation! de amplitude complexe! ∂ A = − jΔkA ∂z Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! 24! 12! Equation de Schrödinger non linéaire! ✔ Equation de dispersion! ( ) k ω =− j α + k 0 + k1 ω − ω0 2 ( Vitesse de phase! ) + 1 k ω − ω0 2 2 ( 2 ) +γ A Dispersion! de la vitesse de groupe! Vitesse! de groupe! Non! Linéarités! ! Atténuation! ✔ Equation de propagation mono canal! 2 ∂A α ∂A j ∂ 2A = - A + k1 − k 2 2 + jγ A A ∂z ∂t 2 ∂t 2 ! ✔ Equation de propagation multi canal! 2 k − k0 = j ∂ ∂z ω − ω0 = − j ∂ ∂t # 2 2& ... + jγ % An + ∑ 2 Ai ( An + jγ ∑ Am An* Ap $ ' m et p ≠n i ≠n Auto modulation Modulation de phase de phase! croisée! Mélange! à 4 ondes! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 25! Conséquences des non-linéarités! SPM ✔ Auto modulation de phase (SPM)! ✔ Modulation de phase croisée! E1 = ! ✔ Mélange à 4 ondes! I1 exp jϕ1 E = I exp jϕ XGM E 2 = I 2 exp jϕ2 ✔ Bruit de phase nonlinéaire! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 26! 13! Auto-modulation de phase Self Phase Modulation (SPM)! I (intensité) Auto modulation de phase! Impulsion 1,2 1 1,5 0,8 1 0,6 0,5 1,5 0 0,4 1 11 -0,5 -1 0 31 41 1 11 51 61 31 41 71 81 51 61 91 1,5 0 -1,5 1 1 21 0,5 0,2 1 21 11 21-0,5 31 41 0,5 71 51 81 61 91 71 81 91 -1 t (temps) 0 1 -1,5 11 21 31 41 51 61 71 81 91 -0,5 t! -1 φ =-kz (phase) -1,5 Automodulation de phase z! Dispersion avec D > 0! 1,2 t 1,5 1 1 0,8 0,5 ω0(t)-d φ/dt 1,5 0,6 0 1 0,4 1 11 21 31 21 31 41 51 61 71 41 51 61 71 81 91 81 91 -0,5 0,5 1,5 0,2 -1 0 "Chirp" fréquentiel 1 1 0 1 11 -0,5 11 0,5 21 -1,5 31 41 51 61 71 81 91 -1 0 1 11 -1,5 21 31 41 51 61 71 81 91 -0,5 -1 -1,5 t t! z! ✔ L auto-modulation de phase peut compenser une dispersion positive! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 27! Solitons! ✔ Propagation linéaire :! ✔ Propagation non linéaire :! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 28! 14! Communications par Fibre Optique 1. 2. 3. 4. 5. Les fibres optiques ! Les fonctions optoélectroniques! La couleur! Les systèmes! Conclusion! 29! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Interations optique/électrique! ✔ Absorption! !Photodétection! before after before after ✔ Emission spontanée! ❏ Direction aléatoire! ❏ Phase aléatoire! ❏ Polarisation aléatoire! ! !Diode électroluminescente (LED)! ✔ Emission Stimulée (induite)! ❏ Caractère bosonique de photons! ❏ Direction déterministe! ❏ Phase déterministe! ❏ Polarisation déterministe! before ! !Laser à semi-conducteur (LSC) ! ! !Amplificateurs à semi-conducteur (SOA)! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! after 30! 15! Interfaces optique/électrique! ✔ Emission laser! ❏ ❏ ❏ ❏ ✔ Photo détection! ❏ ❏ ❏ ❏ Laser (émission) Conversion des électrons en photons! Puissance optique proportionnelle au courant! Puissance optique 1mW (0dBm) environ! Courant de seuil! Photo détection (Absorption) Absorption! Courant proportionnel à la puissance optique (1A/W)! Bruit thermique : -40dBm pour 1GBit/s! Perte de la couleur! ! 31! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Jonction semi-conductrice! energy energy conduction band forbidden band conduction band EG valence band forbidden band EG valence band Semiconductor: equilibrium Semiconductor: current injection Conduction band ✔ L énergie de gap décide de la fréquence! ✔ L injection de courant ! ❏ Vide la bande de valence! ❏ Rempli la bande de conduction! ✔ Auto stabilisation! ✔ Courant de seuil! Current ❏ Le gain net ne commence que quand les pertes sont vaincues! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! valence band 32! 16! Rendre les lasers monomodes (Mono fréquence) Les lasers à réaction distribuée (DFB) ! ✔ Cavité Fabry Perrot! ! ✔ Laser à Réaction Distribuée! L ❏ Intervalle intermodale! Λ ❏ Intervalle intermodale! ! c Δν FP = ! 2LnG ✔ Nombreux modes! ✔ Miroir «ordinaire» (localisé) ! € ❏ Réflexion indépendante de la longueur d onde! ❏ Réflexion localisée! Δν DFB = c >> Δν FP 2ΛnG ✔ 2 modes ou 1 mode! ✔ Miroir à réseau ((distribué) ! € ❏ Réflexion sélective! ❏ Réflexion distribuée! ❏ Déphasage de π/2! ! ! Gallion, Télécom ParisTech! Communications par Fibre Optique, Philippe ! ! 33! La modulation haut débit échappe aux lasers! ✔ Regrouper oscillation et modulation est sous optimal! ❏ Chirping (Kramers-Krönig)! ✔ Modulateur externe à Electro-Absorption! ❏ ❏ ❏ ❏ ! Effet Franz-keldysh! Intégrable : ILM! Modulation de puissance! Chirp réduit! ✔ Modulateur au Niobate de Lithium! ❏ Effet Pockels! ❏ Modulation de puissance! • Chirp contrôlable! • Taux d extinction! ❏ Modulation de Phase! ❏ Modulateur IQ! ! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! 34! 17! Photo détecteur : Conversion optique/électrique (O/E)! ✔ Absorption! ❏ Energie supérieure à l’énergie de gap! ! ! ! Photodiode ! PIN InGAAs/InP! Absorption ✔ Courant proportionnel à la puissance optique (1A/W)! iS = RPS où R= ( eη ) est la sensibilité en A/W hν ❏ La sensibilité est de l’ordre de l’unité! ✔ Les conversions O/E à détection directe sont peu avantageuses! ❏ ❏ ❏ ❏ Goulet d étranglement pour la bande passante! Rendement énergétique faible! Perte de la couleur! Perte de la phase! 35! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Les amplificateurs optiques! ✔ Gain! ❏ Typiquement 20 dB à 30 dB! ❏ Facteur de bruit minimal de 3dB! G= Puissance optique de sortie Puissance optique d'entrée ✔ Technologies! ❏ Semi-conducteur (SOA)! € • Pompage électrique ❏ Fibres optiques dopées à l’Erbuim (EDFA)! • Pompage optique ( à 1480nm ou à 980nm) ❏ Amplificateur Raman! • Utilisation de la fibre de transmission • Amplification distribuée • Pompage optique (λ +13,2THz ) Gain Gain Max Equilbrage spectral du gain Gain 3dB Gain Max 3dB Puisance de saturation: quelques mW Bande passante optique : quelques dizaines de nm νor λ Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Psaturation Pinput 36! 18! Amplificateur à laser semi-conducteur Semiconductor Optical Amplifier ( SLA ou SOA)! y, direction transverse Gain par unité de longueur! x, direction latérale Courant z, direction longitudinale Spectre du gain pour différentes valeurs de la densité de porteurs ! Type p Zone actice Type n Lumière ✔ Traitement anti-reflet! ✔ Ajustement des gains pour les polarisations TE ou TM! ✔ Quelques centaines de microns! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 37! Amplificateur à fibre Optique Dopée Erbium Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)! Isolateur Fibre Dopée Erbium Pompe Coupleur ✔ Pompage co et/ou contra-propagatif! ✔ Quelques dizaines de mètres! ✔ Pompe à 1480nm! ❏ Moins efficace : 2,5dB/mW! ❏ Meilleure puissance de saturation! ❏ Inversion moindre! ✔ Pompe à 980nm! ❏ Plus efficace : 4dB/mW! ❏ Meilleure inversion! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 38! 19! Amplificateurs Raman! Energie ωP ωS Niveaux de vibration Niveau fondamental ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ La fibre de transmission est le milieu actif! Max de gain à 13,2 THz de la fréquence de pompe (Stokes)! Bande de gain de 6 THz environ! Longueur de quelques km (gain distribué)! Puissance de pompe importante (quelques W)! ❏ Faible section efficace! ✔ Amplification distribuée : quelques dizaines de km! ✔ Besoins de pompes! ❏ Gain à toutes les λ... si pompe disponible! ❏ Pas de vraie d inversion de population! ❏ Transfert de bruit : pompes faible bruit! ! ! 39! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Le caractére corpusculaire de la lumiére Bruit de grenaille ou Shot Noise! τ ✔ Les photons arrivent aléatoirement ! ✔ Leur nombre est aléatoire! time ❏ Particules classiques! $ 2 < ( Δn ) >=< n > Fluctuations poissonniénes! ✔ Fluctuations naturelle de la puissance optique! ❏ Proportionnelles à la bande passante d’observation BE! (δ P ) 2 = 2hν < P > BE Relation de Schottky optique! ❏ Bruit non additif en puissance! ✔ Reproduction par le photo courant! ηe I= P hν (δ I ) 2 τ = 1 2BE = 2e < I > BE ! P= nhν τ Relation de Schottky électrique! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 40! 20! Fluctuations du champs électrique! N NQ Im Δϕ ✔ Pour une seule polarisation! ✔ Puissance <P> = (Amplitude)2= A2! ✔ Bruit Gaussien additif en amplitude N! NI ❏ Composantes “en phase” et“ en quadrature”! ❏ Partage de la puissance total de bruit! A PN = PI + PQ and PI = PQ ϕ ❏ NI et NQ sont en bande de base! Re 2 P = ( A + N I ) =< P > +2AN I + N I2 ✔ Fluctuations de la puissance! ✔ Carré moyen! (δ P ) 2 =< ΔP 2 >= 2 < P > PN ≈ ΔP Les fluctuations de puissance sont le double produit (battement) entre le signal amplitude et la composante en phase du bruit 41! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Bruit pour l’amplitude! ✔ Shot noise! (δ P ) 2 = 2hν < P > Be 2 PN = hν BE = SN ✔ Bruit gaussien additif! (δ P ) = 2 < P > PN hν BO 2 hν/2 ✔ Densité spectral pour un seule polarisation! ! ! SN 0 = ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ BE BE hν 2 ν 0 Energie d’un demi photon ! B o Pas observable directement! SN0 = 0.65.10-19 J (or W/Hz) = -162dBm/Hz(optical) @ λ =1.5µ$ Mais le terme croisé avec le signal est le shot noise! C’est l énergie minimale de l’oscillateur harmonique! ! 1$ En = # n + & hν " 2% E0 = hν 2 Frequency ν for n = 0, “Fluctuations de point zéro” ou “Fluctuation du vide” Communications par Fibre!Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 42! 21! Fluctuations de phase! ✔ Fluctuations de phase! -! Δϕ ≈ N Q A N NQ Im NI ✔ Carré moyen des fluctuations de phase! Δϕ (δϕ ) A 2 = PN 2 < P > ✔ Conjugation! ϕ δ Pδϕ = PN Re ❏ Independent du signal !! ❏ Même quand le signal est nul !! ! ✔ Equivalence avec les relations d’indétermination d’Heisenberg! ❏ Nombre de photons reçus$ n = P τ hν ! ❏ Relation Temps-bande passante! B = 1 2τ e δ nδϕ =1 / 2 43! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! € Une amplification idéale est impossible! ! ✔ Amplificateur linéaire non sensible à la phase! ❏ G est le gain en puissance! ❏ Amplification de la puissance du signal! ❏ Amplification et des fluctuations de puissance! ❏ Les fluctuations de phase sont inchangées !! Output Input Amplificateur idéal! Output ✔ Des mesures en sorties violent les relations d’Heisenberg! ✔ Les amplificateurs optiques ajoutent du bruit! ! SADDED = (G −1) hν 2 Input ❏ Quelque soit leur nature! ❏ Pour les laser le bruit total est l’émission spontanée! Bruit ajouté! Amplificateur réel! ✔ Il amplifient aussi l’émission spontanée générée en amont! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! 44! ! 22! Communications par Fibre Optique 1. 2. 3. 4. 5. Les fibres optiques ! Les fonctions optoélectroniques! La couleur! Les systèmes! Conclusion! 45! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Multiplexage en longueur d onde (WDM)! ✔ Multiplexage temporel électrique (ETDM)! R1 R2 Ri Liaison optique E/O λ Mux ❏ STM-16 = 2.5 Gb/s! ❏ STM-64 = 10Gb/s! ❏ STM-256 = 40Gb/s…! Amp R2 E/O λ1 λ2 Ri E/O λι E/O Liaison optique ! Amp λ1 λ2 λι Mux R1 R2 Ri Demux O/E Grande efficacité spectrale ! Fortes contraintes sur l'électronique Forte limitations par la dispersion! ✔ Multiplexage en longueur d onde (WDM) ! R1 λ Demux λ1 E/O R1 λ2 E/O R2 λ3 E/O Ri Moindre efficacité spectrale! Moins de contraintes sur l'électronique! Moins de contraintes sur la dispersion! Amp Amp Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 46! 23! Intérêts du WDM ! ! ✔ Pour les liaisons à grand débit ❏ Moins de câbles! ❏ Amplification collective! ❏ Relaxe des contraintes liées à l augmentation des débits! • • • • Electronique rapide! Dispersion chromatique! Dispersion polarisation! Non linéarités ! ❏ Utilisation des anciennes fibres dispersives! ❏ Montée en débit modulaire (Capex reduction)! ✔ Pour les réseaux d accès! ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ Séparation montant/descendant ! Séparation des utilisateurs ! Séparation des services ! Séparation des fournisseurs d accès! Augmentation de la capacité! Augmentation du nombre d utilisateurs! Assigner la longueur d onde! • Statique (Démux PON ) ou dynamique (Routeur en λ)! • Routage ou sélection par filtrage! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! 47! Augmentation du Débit Global! ✔ Augmentation du débit par canal! ❏ 10 Gbit, 40 Gbit/s…! ❏ Taille optimale du grain ?! ❏ Limitation par la dispersion et les non-linéarités! ✔ Resserrement des canaux! ❏ ❏ ❏ ❏ 100Ghz, 50 GHz, 25 GHz …! Limitations par les effets non linéaires! Limitation par les Mux/demux! Nombre élevé de canaux à gérer! ✔ Elargissement de la bande! ❏ ❏ ❏ ❏ Elargissement de la bande des EDFA ! Utilisation de la bande L! Amplification Raman! Limitation par le bruit et la disponibilité des pompes! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 48! 24! Evolution des systèmes WDM! Le multiplexage en longueur d onde! (WDM) est une vieille idée !! Rê Horaky (le Soleil à midi)! transmet un faisceau! lumineux multicolore à Tapéret! (800-900 B.C.)! Le Louvre, Paris! ❏ 1980 : 2 canaux 1,3 et 1,5µ! ❏ 1990 : 8 canaux à 2,5 GBit/s distants de 400Ghz! ❏ 1996 : 32 canaux à 2,5 GBit/s distants de 100Ghz! ❏ 2000 : 64 canaux à 10 GBit/s distants de 50Ghz! ❏ 2001 : Débit supérieur à 1 Tb/s! Doublement de la capacité tous les 9 mois ! Deux fois plus rapide que la loi de Moore ! ! ! 49! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! CWDM versus DWDM! ✔ C (coarse) CWDM! 20nm soit 2500Ghz λ (nm) 1270 ❏ Très bas coût ! ❏ Réseau d’accès! ❏ Pas d’amplification collective! 1610 0,4nm soit 50Ghz ✔ D (Dense) DWDM! λ (nm) ! 1615 1525 ❏ Liaison haut débit ! ❏ Amplification collective! ❏ Le contrôle fin de λ passe par celui de la température (12,5 GHz/K)! ! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 50! 25! Multiplexeurs (Mux) et Démultiplexeur (Démux)! ! ✔ Filtrage par réseau de diffraction ❏ Propagation libre ❏ Insensibilité à la température ❏ Coût élevé Ondes incidentes Modulation de l'indice Δn= 10-6 à 10-3 ✔ Réseaux de Bragg (FBG)! Onde transmise Onde réfléchie λB = 2neff ΛB Période du réseau ΛB λ- λ B ✔ Phase Array Waveguide (Phasar) ❏ Sensibilité à la température ❏ Recherche de l’athermicité λ1λ2λ3λ4 ΔL=m λc neff λ1 λ λ2 3 λ4 ✔ Films diélectriques! ❏ Couches diélectriques (SiO2, TiO2) ! ❏ Isolation de 45 dB! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 51! ✔ Le contrôle fin de λ passe par celui de la température (12,5 GHz/K)! ! Communications par Fibre Optique 1. 2. 3. 4. 5. Les fibres optiques ! Les fonctions optoélectroniques! La couleur! Les systèmes! Conclusion! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 52! 26! 0 1 0 1 1 0 1 (a) time Systèmes à détection directe! 00 11 00 11 1 0 1 (b) time 0 1 0 1 1 0 1 (c) time ✔ Seule la puissance est modulée! ❏ Modulation par Tout ou Rien (On Off Keying! ❏ L‘information sur la fréquence (couleur) est perdue! ❏ La phase pas utilisé! ✔ Le récepteur décide si il y a de la lumière ou pas! ❏ Décision à seuil! ! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! ! 53! Systèmes à détection directe sans pré amplification optique ! ✔ Le bruit thermique électronique domine! ❏ Typiquement 1,4 µA pour RB = 10Gb/s ! ❏ Une puissance inférieure à quelques µW n ‘est pas détectable ! ❏ Plusieurs milliers de photons par bit sont nécessaires à 10GBit/s! ✔ Simple et pas cher! ✔ Réseaux d’accès! ✔ Dynamique de 25 à 30dB pour un BER de 10-9! ❏ Atténuation! ❏ Partage! ❏ Connexions! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! 54! 27! Les réseaux d accès ! 55! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Déploiement des réseaux d accès! OLT λ λ λ OLT λ λ λ ONU ONU ONU ONU … ✔ Point to Point (P2P)! ❏ Lasers bas coût ❏ Voie descendante à 1500nm! ❏ Voie montante à 1300nm! ! ✔ Point to Multi Point (P2MP)! ❏ ❏ ❏ ❏ Voie montante! Laser «sans couleur»! Interférences optiques entre lasers! Super continuum (Spectrum slicing)! ! λ1 OLT λ1 λ1 λ1 DEMUX ONU λ1 ONU λ1 ONU … ✔ WDM PON! ❏ CWDM! ❏ Composants actifs réfléchissants! • Amplificateurs! • modulateur! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! 56! 28! Systèmes à détection directe avec pré amplification optique! ✔ Seule la puissance est détectée! ✔ Le bruit des amplificateurs domine! ❏ Emission spontanée amplifiée! ❏ Il dépend de G-1! ❏ Le signal dépend de G! ✔ Le gain ne sert qu’a masquer le bruit thermique! ✔ Le bruit n’est pas le même pour les 1 et les 0! (AA ) * P= + SIGNAL×SIGNAL € + A N) (AN * * NOISE×SIGNALCROSS TERM + (NN ) * NOISE×NOISE ✔ Quelques dizaines de photons par bit sont suffisants à 10GBit/s!! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! 57! ! ! SEA-ME-WE-4! ✔ 18,800 kilomètre de long! ✔ Relie l Asie du sud est, l inde, le moyen orient et l Europe! ✔ Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) ! ❏ ❏ ❏ ❏ Communication bidirectionnelle sur une même fibre! 2 paires de fibres! Chaque paire transporte 64 porteuses à 10 Gbit/s ! Capacité totale de 1.28 Tbit/s! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! 58! 29! Capacité d’un canal de communication Théorème de (Hartley) Shannon ! Power Power Power Noise ✔ Durant 1 seconde! Signal 1/B0 ❏ Energies moyennes reçues ! PS = Puissance du Signal! PN = Puissance de bruit! 0 1 Time 0 1 Time (b) ❏ Plus petite énergie discernable = P(a) N! ❏ Nombre de niveaux discernables = (PS + PN)/ PN! ❏ Nombre de Bits = log2 (PS + PN)/ PN! Time (c) ✔ Pour une bande passante B0 ! ❏ B0 intervalles de temps par seconde! ! C = Bo log 2 (1+ PS ) in bits/s PN 59! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Augmenter la capacité! Puissance limitée ! par les non linéarités! C = Bo log 2 (1+ PS ) in bits/s PN Bande passante optique! Bruit accumulé! ✔ L’accroissement de la bande passante n’est pas tout! ❏ Le bruit est aussi fonction de la bande passante! SN est la densité spectrale de bruit! PN = SN BO ❏ Capacité limite! C= PS P log2 e = 1.44 S SN SN ✔ La puissance est limitée! ❏ A l émission par les non linéarité! ❏ A la réception par la distance! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! 60! 30! Détection optique cohérente! S (frequency fS) 2π(fS- fL)t! L (frequency fL) (L+S)2 = L2+ 2LS + S2 with L>>S ✔ Addition du signal reçu S avec un autre signal continu intense L! ❏ Oscillateur local! ✔ Détection quadratique de la somme! ❏ Génération d’un terme croisé : battements! ✔ Gain de mélange! ✔ Transposition du signal optique dans le domaine électronique! ✔ Linéarité! ❏ Préservation de la phase optique! ✔ Traitement du signal post détection! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! 61! Formats de modulation! Q (Im) Q (Im) Q (Im) ❏ BPSK or DBPSK! ❏ 1 bit par symbole! ❏ Enveloppe constante! I (Re) I (Re) I (Re) ❏ QPSK! ❏ 2 bits par symbole! ❏ Enveloppe constante! ❏ 16 QAM! ❏ 4 bits par symbole! ❏ Multi niveau! ✔ Augmentation du nombre de bit par symbole! ❏ Réduction du spectre! ❏ Amélioration de l’ efficacité spectrale! ❏ Réduction de l’énergie par bit! ✔ Réduction de la distance euclidienne entre symboles! ❏ Rapport sur bruit plus élevé! ❏ Plus grande vulnérabilité au bruit et aux non linéarités! ✔ Exemple : 28 Gbaud soit 112 Gbit/s (QPSK avec diversité de polarisation)! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 62! ! ! 31! Efficacité Spectrale (Bit/s/Hz)! N = log 2 M Rapport signal à bruit Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 63! Communications numériques en optique! ✔ Codage correcteur d’erreur! ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ 5 à 12% de overhead ! Reed-Salomon, BHC, LDPC, Turbo… ! Décision souple! Gain de 5 à 10db sur le rapport signal à bruit! Le taux d’erreur optique est 10-2 à 10-2! ✔ Compensation des distorsion déterministes linéaires! ❏ Dispersion de vitesse de groupe (canal à mémoire)! ❏ Rotation de phase due au décalage en fréquence! ❏ Récupération de la phase! ✔ Filtrage et égalisation ! ✔ Diversité de polarisation! ❏ Multi Input Multi Out Put! ✔ OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 64! 32! Data Com! "! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 65! Communications par Fibre Optique 1. 2. 3. 4. 5. Les fibres optiques ! Les fonctions optoélectroniques! La couleur! Les systèmes! Conclusion! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! 66! 33! Une augmentation fantastique des performances! ! ✔ 1982 : 1canal à 1Gps ! ✔ Aujourd’hui : 1centaine de canaux à 100 Gbit/s! ✔ Prés de 4 ordres de grandeur sur la capacité! 67! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! Perspectives! ✔ Pour l’optoélectronique! ❏ Maitrise et gestion des non linéarités! ❏ Distribution du gain /propagation à signal constant! • Gain potentiel de 9 dB sur un lien 100k! • Pompes à faible bruit! ❏ Bas coût • Réseaux d’accès! • Photonique sur silicium! ❏ Faible consommation! ✔ Communications numériques! ❏ Codage correcteur d’erreurs! ❏ Modulations codées! ❏ Inversion des perturbations linéaires! ✔ Traitement électronique des signaux rapides! ❏ ❏ ❏ ❏ Drivers! Echantillonnage et traitement numérique du signal! Intégration des récepteurs cohérents! FPGA et ASICs! Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech! ! ! 68! 34!
