les ondes optiques
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Les Ondes Optiques
Riad Haïdar
ONERA
Département d’Optique Théorique et Appliquée
2
The ElectroMagnetic Spectrum
RADIO FREQUENCIES
OPTICAL FREQUENCIES
= 100 mm
f = 3 GHz
= 1 mm
f = 300 GHz
Propagation : optical fibers
MICRO WAVES
3
Fiber propagation
n1 > n2
n2
4
Reflection & Refraction
n2<n1
n1
1 1
1
2
2
Snell’s law
2211 sinsin nn
2211 coscos nn
n2<n1
n1
1= c
c
Critical angle
1
2sinn
nc
1
2cosn
nc
n2<n1
n1
1 >c
Total internal reflection
5
Un fil de verre seul peut aussi conduire la lumière...
>> MAIS il n'y a pas confinement au voisinage du centre.
>> Ce sera une fibre multimode.
>> Le milieu extérieur peut influencer la propagation.
Pour les communications sur de longues distances, onutilise une fibre monomode pour minimiser les problèmes de dispersion.
Remarque
6
Fiber performance
z=0 z=L
Dispersion
z=0 z=L
Attenuation
7
Optical attenuation in glass
1960
Att
enua
tion
(dB
/km
)
1
10
100
1000
0.11970 1980 1990 2000
20 dB/km (Corning)
0.16 dB/km
CVD (Chemical Vapor Deposition)
8
Fiber attenuation (SiO2)
1.80.8 1.0 1.2 1.4 1.60.9 1.1 1.3 1.5 1.7
Wavelength (m)
Att
enua
tion
(dB
/km
)
0.2
0.5
1.0
1.5
Rayleighscattering IR band edge
OH-- peak
UVabsorption
0.70.6
4
1R.Scatt
0.16 dB/km
9
Light detection
Other Fiber losses (1)
Épissure : fusion bout à bout de deux fibres.
>> Pertes typiques de 0,05 dB sur les fibres standard télécoms.
Light insertion
Micro
Positioning
Détection de lumière
Détection de lumière
Light detection
Micro
Positioning
electric arc
10
longitudinal Dradial d
angular cores
ellipticitycores
misaligning
Other Fiber losses (1)
11
Other Fiber losses (2)
Courbures :
>> Il y a modification des conditions de réflexion : un rayon totalement réfléchi dans un guide droit, peut s'échapper par réfraction lorsque le guide est courbé.
>> Les fibres monomodes tolèrent un rayon de courbure de l'ordre de 10 cm sans perte notable
>> les pertes croissent exponentiellement avec la courbure.
12
Théorie du Guidage
Deux approches sont possibles :
• la théorie géométrique : (optique des rayons), valable pour des cœurs de dimensions beaucoup plus grandes que la longueur d'onde.
• la théorie ondulatoire : elle utilise les équations de Maxwell avec les conditions aux limites. Elle conduit à la notion de mode, valable pour toute dimension de coeur.
Pour des diamètres beaucoup plus grands que la longueur d'onde les
deux théories se rejoignent.
13
Les rayons se divisent en deux types :
• Les rayons hélicoïdaux, qui ne coupent jamais l’axe
• Les rayons méridionaux
A chaque inclinaison m correspond un groupe de rayons
>> on parle de « mode ».
Chaque mode est caractérisé par sa vitesse de phase VP liée à l'angle m par :
>> Il y a autant d'inclinaisons que de modes.
Théorie du Guidage
mcoP Cos . n
V
1
14
Modes & Rays
waveguide
d
2 1 0
m=0 m=2m=1
d
mk mx
1,
0
,arcsinnk
k mxm
15
Mode intensity profiles
• Optical modes:
0 1 2
d
a
Planar:
Single-mode if V
Fiber:
Single-mode if V 2.405
22
21
2nn
dV
22
21
2nn
aV
V number
>> determines how many modes a fiber supports
16
Number of modes
• Number of modes in step-index fiber
if V > 2.405
• Optical power in the cladding (gaine optique)
2
2
2
1 22
22
1
2V
nna
M
MP
Pcladding
3
4 for large values of V
17
Numerical Aperture
1
2cosn
nc Critical angle:
Maximum entrance angle:
cn
n sinsin0
1max,0
22
21
211max,00 cos1sinsin nnnnnNA cc
Numerical aperture:
Multimode fiber
n1
n2
0 c
n0
n0
18
Numerical Aperture
n
n
n
nn
n
nn
nnn
1
212
1
22
21
21
2
: if
2222
21 nnnnnNA
61.0 max,0NA
19
Dispersion
Les différentes composantes du signal se propagent selon des temps différents dans la fibre optique.
Deux causes essentielles :
– Différence de trajet (dispersion modale)
– Différence de vitesse (dispersion chromatique)
20
L
n1
n2
Dispersion (intermodal)
c
t
c
nLT 1
min
cc
nLT
cos1
max
1
2cosn
nc
21
Deux longueurs d’onde 1 et 2 voyagent à des vitesses différentes
Dispersion (chromatic)
L
n1
n2
Bonne nouvelle : La dispersion s'annule vers 1300nm.
t
22
Type de fibrerco / rgo
Multimode100 / 140 µm
Monomode9 / 125 µm
Monomode9 / 125 µm
Longueurd'onde (nm)
1300 1300 1550
Dispersion M(ps/ nm/ km)
22.000 3,5 20
Dispersion in numbers
23
Dispersion and frequency
10
100
1 1000 freq (MHz)
Attenuation (dB/km)
Coaxial Multi saut d’indice
Multi gradient d’indice
Monomode
24
Les Solutions :
– Emploi de source monochromatique.
– Fibre à dispersion décalée :
• décaler le zéro de dispersion vers 1550nm
(car atténuation min à 1550nm)
• aplatir la dispersion dans le domaine 1300 -1550 nm.
Pour cela, on doit réaliser des profils d’indice spéciaux à cœur segmenté (de type W par exemple) ou/et triangulaire.
>> Une transmission sur 100 km sans répéteur est alors réalisable.
Dispersion (chromatic)
25
Débit = BP * Efficacité
(Bits / s) = (Hz) * (Bits / s / Hz)
1 – BP disponible autour de 1550nm : ~ 15 THz
2 – Meilleure isolation en => Meilleure Efficacité
Aujourd’hui : 0,2 Bits/s/Hz
D’ici 24 mois : 0,5 Bits/s/Hz
Radio : 10 Bits/s/Hz
Objectif à long terme : 150 Tbits/s
15 THz
10 Bits/s/Hz
B.P.
Efficacité
150 Tbits/s
Dispersion (enjeux)
26
refractiveindex
SM Single-Mode
Fiber types
MM-SIMulti-ModeStep Index
MM-GIMulti-ModeGraded Index
2/1
1 21
a
rnrn
27
Fiber classification (1)
Core diameter (coeur) 50 - 400 m
Cladding (gaine) 125 (500) m
2nd coating (2nde gaine) 250 - 1000 m
NA (ouverture numérique) 0.16 - 0.5
Attenuation 1 - 4 dB/km
Bandwidth 6 - 25 MHz.km
Application Short distance, low cost
limited bandwidth
MM-SI: Multi Mode - Step Index fiber
28
Fiber classification (2)
Core diameter 50 m standard
Cladding 125 m
2nd coating 200-1000 m
NA 0.2 - 0.3
Attenuation 1 dB/km (1300 nm)
Bandwidth 150 MHz.km - 2 GHz.km
Application Medium distance communication
LED/Laser sources
MM-GI: Multi Mode - Graded Index fiber
29
Fiber classification (3)
Core diameter 3-10 m
Cladding 50-125 m
2nd coating 200-1000 m
NA ~0.1 (not used)
Attenuation 0.20@1550nm - 0.4@1300nm dB/km
Bandwidth >> 500 MHz.km
Application Long distance communication
Lasers, standard fiber
SM-SI: Single Mode - Step Index fiber
30
• G.652 : fibre monomode standard (SMF)Dispersion 17ps/nm/km à 1550nm
>> Faible débit
• G.653 : fibre à dispersion décalée (Shifted Dispersion Fibre)
Dispersion = 0 à 1550nm mais sensible aux effets non linéaires
>> Débits élevés (> 10Gbits/s)
>> Pas WDM
• G.655 : l ’avenir ! Compromis entre G.652 et G.653
Dispersion = 8ps/nm/km à 1550nm et insensible aux effets non linéaires
>> Débits élevés (> 10Gbits/s)
>> WDM (120 canaux démontrés en 2000)
Today Fibers
31
Today Fibers
0
+20
-20
1300 1550
wavelength (nm)
Dispersion (ps/nm/km)
G.652
G.653
SDF
SMF
1430
G.655
32
Silica fibers – preform fabrication
Gases inO2, HeSiCl4GeCl4BBr3
POCl3
Silicatube
Heating ring
Gases out
Deposit
preform
furnace
Diameter controlPolymer coating solution
Polymer curing
Pulling drive
Take-up reel
Modified chemical vapor deposition for preform fabrication
Pulling machine
33
Fiber materials
• Silica glass fiber– starting material: pure silica (SiO2) in the form of fused quartz
(amorphous)– modification of refractive index by addition of impurities
• lowering refractive index : B2O3, F• raising refractive index : P2O5, GeO2
• Polymer optical fiber (POF)– large core (multimode)– large refractive index difference between core and cladding– easy handling– relatively high losses
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Advantages of Optical communication
Huge bandwidth
Small and light
Low loss
Electrical isolation
No EMI (Lightning, interference)
Security (no tapping)
Reliability
Low cost per bit
35
Les Sources Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
• Laser à fibre dopée à l’Erbium
• Laser à semi-conducteur
1 - les plus utilisés pour intégration (qques µm)
2 - deux types Distributed FeedBack (DFB), incluant la zone de gain
Distributed Bragg Reflector (DBR), ne l’incluant pas
+
–
p
n
Miroirs semi-réfléchissants
Lumière cohérente
Light Sources
36
Technique d'accord Gamme de couverture
Vitesse d'accord
Laser à accord mécanique 500 nm 1-10 ms
Laser à accord électro-optique 7 nm 1-10 ns
Laser à accord par injection de courant 10 nm 1-10 ns
Caractéristiques des lasers utilisés dans les télécoms
Les Sources Accordables
Light Sources
37
• f < 1Gbits/s (1 GHz) : OK
• Entre 1 GHz et 10 GHz :
- La diode n’a plus le temps de laser
- Phénomène de « CHIRP » : se met à fluctuer
>> CHIRP + dispersion des fibres : Pb !
Light Modulation
La modulation interne
LASERP (t)
ti(t)
modulation
38
• La diode émet en continu, on place un obturateur en sortie
• Limite électronique : 10 Gbits/s
Light Modulation
La modulation externe
LASER
modulateur
P0
0
P(t)
0
39
Que module-t-on ?
– Modulation du champ rayonné
• Modulation en amplitude(ASK), fréquence (FSK) ou phase (PSK)
• Source nécessairement cohérente : laser
• Fibre monomode indispensable
– Modulation d’intensité
• Seule la puissance rayonnée est modulée.
• Nul besoin d’une source cohérente
• Toutes les fibres conviennent
Light Modulation
40
Exemples à 1 Gbit/s
Fibre multimode saut d’indice : L = 10 m
Fibre multimode gradient d’indice : L = 1 km
Fibre monomode :
• DEL 1,5µm L = 500 m
• DFB 1,5µm + modulation directe L = 250 km
• DFB 1,5µm + modulation externe L = 2500 km Limite due à la dispersion.
41
Les réseaux optiques « classiques » sont bridés en débit :
Fibre optique
Multiplexeur/démultiplexeur électronique
Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur)
2 Gbits/s
Electronic Multiplexing
42
La solution : on combine Mux/Demux électronique et optique
Fibre optique
Multiplexeur/démultiplexeur électronique
Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur)
Demux/Mux optique
n x 2 Gbits/s
n x
Wavelength Division Multiplexing WDM
43
Aujourd’hui
Historiquement, le WDM consistait à discriminer les voies montantes (1,5µm) et descendantes (1,3µm)
Progrès :
– 2000 : Mux WDM à 80 longueurs d ’onde à 2Gbits/s (160Gbits/s!)
– 2001 : Mux WDM à 200 longueurs d ’onde à 2Gbits/s (500Gbits/s!)
Espacement inter-canaux : ~ 50GHz (0,4nm) autour de 1550nm
Wavelength Division Multiplexing WDM
44
Amplificateurs OptiquesEDFA (erbium doped fiber amplifier)
Puissance
fréquence
1 2 3
Puissance
fréquence
1 2 3
Fibre dopée à l ’erbium
Diode laserCourant de pompage
Lentille de couplage
Signal Signal amplifié + bruit
45
EDFA (erbium doped fiber amplifier)
Pompage indirect
= 0,98 µm
Pompage direct
= 1,48 µm
Énergie
Émission stimulée à 0
État excité
État instable
État d’équilibre
46
EDFA (erbium doped fiber amplifier)
courbe de gain
0,4
0,18
5 THz 25 THz
Atténuation (dB/km)
Longueur d’onde (nm)1430 15501300
Amplification
3 THz
47
• L’EDFA convient à tous types de modulation :
– amplitude ASK : tout photon incident induit un photon stimulé
– fréquence FSK et phase PSK
• Gain jusqu’à 40dB dans une bande de 3 THz ([1,53 - 1,56µm])
• Utilisation de canaux autour de 1,5µm si espacés de 100GHz
• Bruit large spectre dû à l’émission spontanée >> filtrable
• Temps de réponse : 10ms
EDFA (erbium doped fiber amplifier)
48
Amplificateur à semi-conducteur SCOA
Puissance
fréquence
Puissance
fréquence
Courant de pompage
Diode laser
Lentille de focalisation + traitement anti-reflet
Conversion électro-optique
49
Type d'amplificateur
Zone de gain Largeur de
bande Temps de réponse
Gain
SCOA Quelconque 40 nm 1 ns 25 dB
EDFA 1525 nm - 1560 nm
35 nm 10 ms 25-51 dB
PDFFA 1280 nm - 1330 nm
50 nm ? 20-40 dB
PDFFA : praseodynium doped fluroide fiber amplifier
Amplificateurs Optiques
50
A note on dB and dBm
• dB– optical signals:
– electrical signals:
–
• dBm– absolute power value (with 1 mW as reference)
– power level in dBm:
2
1log10P
P
22
11
2
1
2
1 log10log20log20IV
IV
I
I
V
V
mW
P
1log10
elelopt PIP electrical dB = 2 x optical dB
51
FIN
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