ELP 201 Mineure ELP C 3 &4 Les transmissions optiques Mineure ELP Module 201

0

page 0 ELP 201Mineure ELP

C 3 &4 Les transmissions optiques

Mineure ELPModule 201

Laurent DupontDépartement d’optique

1


dates Historiques ( 1 )

1864 1 er Câble télégraphique transatlantique : 1 canal

1950 - 1985 Câbles coaxiaux transatlantiques

36 → 4000 canaux de 4 kHz Répéteurs : 5km

1960 Apparitions des premières fibres optiquesatténuation: 1000 dB / km ! !

1965 Satellite INTELSAT 240 canaux de 4kHz

1975 Fibres optiques : Atténuation 20 dB / km

1981 Fibres optiques: Atténuation 0,2 dB / km

2


dates Historiques (2)

1981 Mise au point des Lasers semi- conducteurs à 1,3 µm

1986 Mise au point des Lasers à 1,55 µm et desfibres à dispersion décalée

1987 Amplificateur à fibre dopée Erbium⇒ Concept de multiplexage en longueur d’onde (WDM)

1988 Premier câble sous-marin transatlantique à fibre (TAT 8) Répéteurs : 50 km

1995 Premier câble sous-marin transatlantique fibre + ampli optique(TAT12/13)

3


Carte des systCarte des systCarte des systCarte des systèèèèmes de transmissionmes de transmissionmes de transmissionmes de transmission

PacrimEast

SAT-2

Americas-1

Columbus-2

SEA-ME-WE 2

TPC

PacrimWest

Tasman-2

NPC

JasurausUnisur

Cantat-3

TAT

4


SEA - ME-WE - 3 : 39.000 km / 39.000 km / 39.000 km / 39.000 km / 2 x 48 λ λ λ λ x10 Gb/sSouth-East Asia - Middle East - Western Europe 3

5


Pourquoi les fibres optiques ?Pourquoi les fibres optiques ?Pourquoi les fibres optiques ?Pourquoi les fibres optiques ?

Bande passanteBande passanteBande passanteBande passante

Fil cuivreFil cuivreFil cuivreFil cuivre

CableCableCableCable coaxcoaxcoaxcoax

Guide dGuide dGuide dGuide d’’’’ondeondeondeonde

Fibre optiqueFibre optiqueFibre optiqueFibre optique

6


Bit rate Bit rate Bit rate Bit rate (Gb/s).km(Gb/s).km(Gb/s).km(Gb/s).km

10 000

100

1

106

1980 1990 2000

PMDPMDPMDPMD

Dispersion Dispersion Dispersion Dispersion interinterinterinter----modalemodalemodalemodale

Limitations des fibres optiquesLimitations des fibres optiquesLimitations des fibres optiquesLimitations des fibres optiques

Effets nonEffets nonEffets nonEffets non----linlinlinlinééééairesairesairesaires

n = f (I)n = f (I)n = f (I)n = f (I)

1970

Dispersion chromatique Dispersion chromatique Dispersion chromatique Dispersion chromatique n = f ( n = f ( n = f ( n = f ( λ)λ)λ)λ)

7


I. Propagation guidI. Propagation guidI. Propagation guidI. Propagation guidéééée dans les fibres optiquese dans les fibres optiquese dans les fibres optiquese dans les fibres optiques

8


Réflexion sur un dioptre

n2

n1E

E’⊥

E ’’ ⊥

θ θ'

ϕ

n2n1

E// E’ //

E’’ //

θ θ'

ϕ

r//

r⊥

0 θ =π/2

R2 = 1

r//

θ =π/2θlimθb

r⊥

θb

nnnn1111 < < < < nnnn2222

nnnn1111 > > > > nnnn2222

Soit un dioptre constitué par deux milieux d’indice n1 et n2. Considérons une onde électromagnétique se propageant du milieu 1 vers le milieu 2. Les angles θ et φ sont reliés par la relation: n1 sin θ = n2 sin φ. Les équations de continuité des champs électrique et magnétique à l’interface nous donnent les coefs de transmission et de réflexion. Dans le cas ou le milieu de l’onde incidente a un plus fort indice, on constate un phénomène de réflexion totale.

9


Réflexion totale

δ//

δ⊥

θθc

0 π/2

180°

δδδδ

sinsinsinsin θθθθcccc = n= n= n= n2 2 2 2 / n/ n/ n/ n1111

n1

n2

θθθθcccc

DDDDééééphasage de phasage de phasage de phasage de GoosGoosGoosGoos----HandschenHandschenHandschenHandschen

⊥⊥⊥⊥

⊥⊥⊥⊥======== δδδδδδδδ i//i

//ereter

Condition de rCondition de rCondition de rCondition de rééééflexion totale :flexion totale :flexion totale :flexion totale :

θ θ θ θ > > > > θθθθcccc = = = = arcsinarcsinarcsinarcsin (n(n(n(n2 2 2 2 / n/ n/ n/ n1 1 1 1 ).).).).

10


Caractéristiques de la fibre optique

2a n1

n2

x

y

φ

DiamDiamDiamDiamèèèètre exttre exttre exttre extéééérieur : 125 rieur : 125 rieur : 125 rieur : 125 µµµµmmmm

DiamDiamDiamDiamèèèètre du ctre du ctre du ctre du cœœœœur ( fibre monomode): 10 ur ( fibre monomode): 10 ur ( fibre monomode): 10 ur ( fibre monomode): 10 µµµµmmmm

Saut dSaut dSaut dSaut d’’’’indice relatif: indice relatif: indice relatif: indice relatif: ∆∆∆∆ <1%<1%<1%<1%

La fibre optique possède une symétrie cylindrique avec un cœur de fort indice et une gaine extérieure de faible indice et de diamètre extérieur d’environ 125µm.

11


Ouverture numérique

n1

n2

2aθθθθi

θθθθr θθθθ

2

1

22 1sin1coscos

−=−=≤

n

ncc θθθ

1. θ > θc = arcsin (n2 / n1 ).2. Loi de Descarte:

sin θi = n1 sinθr.

sinθi nn

nn n≤ −

= −1

2

1

2

12

221 NA n n= −1

222

NumericalNumericalNumericalNumerical Aperture:Aperture:Aperture:Aperture:

Monomode : NA 0,1 Monomode : NA 0,1 Monomode : NA 0,1 Monomode : NA 0,1 –––– 0,20,20,20,2

MultimodeMultimodeMultimodeMultimode : NA 0,2 : NA 0,2 : NA 0,2 : NA 0,2 –––– 0,50,50,50,5

°°°°≈≈≈≈⇒⇒⇒⇒==== 61.0NA iθθθθ

C’est l’angle limite d’injection permettant d’obtenir un faisceau guidé dans la fibre.

La condition de réflexion totale est : θ > θ c = arcsin (n2 / n1 ).

Sur le dioptre air / coeur de fibre, nous avons la relation de Snell Descartes : sin θ = n1 sin θ r.

12


Propriétés du vecteur d’ onde

θα

θβλπ

sink

coskkn2

nk 011

=

=== k

ββββ

θθθθ

αααα

0102 knkn ≤≤≤≤≤≤≤≤ ββββ

RRRRééééflexion totaleflexion totaleflexion totaleflexion totale GGGGééééomomomoméééétrietrietrietrie

2eff10eff nnnk/n ≥≥⇒= β

L’inégalité de droite résulte de la construction géométrique du vecteur d’onde

L’inégalité de gauche est la conséquence de la réflexion totale.

13


Equation d’onde

(((( )))) (((( ))))[[[[ ]]]](((( ))))zr0

im0

E,E,EE

ztiexperEE

φφφφ

φφφφ ββββωωωω

====

−−−−====r

r

(((( )))) 0HE

nkr

1rr

1

r z

z22i

22

2

22

2

====

−−−−++++++++++++ ββββ

∂φ∂φ∂φ∂φ∂∂∂∂

∂∂∂∂∂∂∂∂

∂∂∂∂∂∂∂∂

Equation de propagation Equation de propagation Equation de propagation Equation de propagation dddd’’’’ondeondeondeonde dansdansdansdans un un un un reprepreprepèèèèrererere cylindriquecylindriquecylindriquecylindrique

JJJJmmmm: : : : FonctionFonctionFonctionFonction de Bessel de1 de Bessel de1 de Bessel de1 de Bessel de1 espespespespèèèècececece KKKKmmmm : : : : FonctionFonctionFonctionFonction de Bessel de Bessel de Bessel de Bessel modifimodifimodifimodifiééééeeee de 2 de 2 de 2 de 2 espespespespèèèècececece

CoeurCoeurCoeurCoeur GaineGaineGaineGaine0nk 22

12 >>>>−−−− ββββ 0nk 22

22 <<<<−−−− ββββ

Dans la gaine le champ doit être évanescent et le champ ne peut diverger lorsque qu’on s’éloigne du cœur : les solutions sont des fonctions de Bessel modifiées de second espèce.

Dans le coeur, la réflexion totale impose : k 2n12-β2 > 0 et les composantes des

champs ne peuvent diverger vers le centre de la fibr e : les solutions sont des fonctions de Bessel de première espèce.

14


Dispersion des modes

ContinuitContinuitContinuitContinuitéééé de de de de EEEEzzzz and Hand Hand Hand Hzzzz au au au au traverstraverstraverstravers de de de de llll’’’’interfaceinterfaceinterfaceinterface gainegainegainegaine----coeurcoeurcoeurcoeur ⇒⇒⇒⇒ Equation de dispersion:

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )

+

+=

+aJ

aKnk

aJ

aJnk

aJ

aK

aJ

aJ

a

m

m

mclad

m

mcore

m

m

m

m

γγγ

κκκ

γγγ

κκκ

κγβ '22

0'22

0''2

222

22 11

⇒⇒⇒⇒ Valeurs de Valeurs de Valeurs de Valeurs de β(β(β(β(λ,λ,λ,λ,n,a))))

(((( ))))221

20

22 nka ββββκκκκ −−−−====

(((( ))))22

20

222 nka −−−−==== ββββγγγγ

La deuxième étape consiste à assurer la continuité des champs. Les équations de continuité des champs débouchent sur l’équation de dispersion qui donne les valeurs discrètes des constantes de propagation b qui caractérisent les modes.

On représente en général la variation de l’indice effectif β/k en fonction de la fréquence généralisée V.

15


MODES des fibres optiques

Géométrie des modes: champ électrique:

16


Modes Polarisés linéaires (1 )

Limiter la dispersion chromatique : ∆∆∆∆nnnn << << << << 1 PolarisationPolarisationPolarisationPolarisation unidirectionelleunidirectionelleunidirectionelleunidirectionelle

⇒ Modes polarisés linéaires (modes LP)

LPLPLPLP01010101

D’après le diagramme de dispersion on voit que l’indice effective varie entre les indices de gaine et les indices de coeur lorsque la fréquence varie. C’est un phénomène de dispersion chromatique. Pour limiter cet effet on va construire des fibres avec un faible saut d’indice ∆n <<1. On obtient alors les modes polarisés linéaires (LP).

17


Modes Polarisés linéaires (2)

LPLPLPLP11111111 LPLPLPLP21212121

18


Dispersion desdesdesdes Modes LP

FrFrFrFrééééquence de coupurequence de coupurequence de coupurequence de coupure

0 2 405< <V ,Condition rCondition rCondition rCondition réééégime gime gime gime monomodemonomodemonomodemonomode ::::

22

210 nnakV −−−−====

n1

nnnn2222

neff

LP01

LP11

LP21

LP02

19


Approximation Gaussienne du mode LP01

LP01 mode peut être assimilé à un faisceau Gaussien

Cette approximation est suffisante pour la plupart des fibres

E rr

( ) exp= −

2

02ω

62/30 V879,2V619,165,0a

−−−−−−−− ++++++++====ωωωω

La largeur du mode Gaussien est donnée par la formu le:

Avec 1,2 < V< 2,405Avec 1,2 < V< 2,405Avec 1,2 < V< 2,405Avec 1,2 < V< 2,405

20


Propriétés du faisceau Gaussien en

espace libre

0πωπωπωπωλλλλθθθθ ≈≈≈≈

(((( )))) 2

0

2

0 zz

1z

++++====

ωωωωωωωω

µm50z20

0 ≈≈≈≈====λλλλωωωωππππ

IntIntIntIntéééérêt du faisceau Gaussien: Il est facile rêt du faisceau Gaussien: Il est facile rêt du faisceau Gaussien: Il est facile rêt du faisceau Gaussien: Il est facile de dimensionner lde dimensionner lde dimensionner lde dimensionner l’’’’optique doptique doptique doptique d’’’’injection.injection.injection.injection.

2ω2ω2ω2ω(z)oz

Fibre

θ

EffetEffetEffetEffet de diffraction:de diffraction:de diffraction:de diffraction:

2ω2ω2ω2ω0

PhotodiodeLentille fibre

Diode laserDiode laserDiode laserDiode laser

Pelletier + thermistancePelletier + thermistancePelletier + thermistancePelletier + thermistance

Driver




Driver

⇒

21


Absorption dans les fibres

Spectre dSpectre dSpectre dSpectre d’’’’absorption de la siliceabsorption de la siliceabsorption de la siliceabsorption de la silice

120 nm15 THzfenêtre 1550 nm

80 nm14 THzfenêtre 1310 nm

∆λ∆λ∆λ∆λ∆ν∆ν∆ν∆ν

22


Le WDM ( Le WDM ( Le WDM ( Le WDM ( WavelengthWavelengthWavelengthWavelength Division Division Division Division MultiplexingMultiplexingMultiplexingMultiplexing ))))

Spectre d’amplification optique

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

UV visibleλ (nm)

0

1

2

3

4

5

Per

teop

tique

dB/k

mDiffusion

absorption

S b

and e

L ba

nde

Mul

ti m

ode

O b

and e

C b

and e

DWDM canaux1491.88 nm à 1611.79 nm

CWDM 18 canaux1214 nm à 1610 nm

Spectre:

Bande passante 30 Bande passante 30 Bande passante 30 Bande passante 30 THzTHzTHzTHz

23


II.II.II.II. Dispersions : Dispersions : Dispersions : Dispersions :

Chromatique et PMDChromatique et PMDChromatique et PMDChromatique et PMD

24


Formats de modulation et spectre optiqueFormats de modulation et spectre optiqueFormats de modulation et spectre optiqueFormats de modulation et spectre optique

Format NRZ : Format NRZ : Format NRZ : Format NRZ : ∆∆∆∆ffff ≅≅≅≅ 2222DDDDnnnn

Format RZ : Format RZ : Format RZ : Format RZ : ∆∆∆∆ffff ≅≅≅≅ 4444DDDDnnnn

ωωωω0000

∆∆∆∆ffff

ωωωω0000

1 0 1 1 0 1 0 11 0 1 1 0 1 0 11 0 1 1 0 1 0 11 0 1 1 0 1 0 1+

Spectre Laser

Spectre avec modulation OOK

modulation OOK

25


Impulsion optique

(((( ))))(((( ))))[[[[ ]]]]z.ktiexpE ωωωωωωωω −−−−∝∝∝∝OndeOndeOndeOnde monochromatiquemonochromatiquemonochromatiquemonochromatique::::

(((( )))) (((( )))) (((( )))) ....k

21k

kk 202

2

00

00

++++−−−−

++++−−−−

∂∂∂∂++++==== ωωωωωωωω∂ω∂ω∂ω∂ω∂∂∂∂ωωωωωωωω

ωωωω∂∂∂∂ωωωω

ωωωωωωωωVecteurVecteurVecteurVecteur dddd’’’’ondeondeondeonde::::

(((( )))) (((( )))) (((( ))))(((( )))) ωωωωωωωωωωωωωωωω dziktiexpAz,tA

0

−−−−==== ∫∫∫∫∞∞∞∞

Impulsion:Impulsion:Impulsion:Impulsion:

TFTFTFTF

Vitesse de phaseVitesse de phaseVitesse de phaseVitesse de phase Vitesse de groupeVitesse de groupeVitesse de groupeVitesse de groupe Dispersion chromatiqueDispersion chromatiqueDispersion chromatiqueDispersion chromatique

26


Vitesses de phase et de groupe

(((( ))))z.ktcosE 111 −−−−==== ωωωω (((( ))))z.ktcosE 222 −−−−==== ωωωω

ω ω ω ω ω ω1 0 2 0

1 0 2 0

= − = += − = +

∆ ∆∆ ∆

,

,k k k k k kAvec:Avec:Avec:Avec:

DeuxDeuxDeuxDeux ondesondesondesondes EM :EM :EM :EM :

(((( )))) (((( ))))kztcoszktcos2EEE 0021 ∆∆∆∆ωωωω∆∆∆∆ωωωω −−−−−−−−====++++====Superposition d’ondes :

nc

kv

0

0 ========ωωωω

gg N

ck

v ========∆∆∆∆

ωωωω∆∆∆∆

VitesseVitesseVitesseVitesse de phasede phasede phasede phase

VitesseVitesseVitesseVitesse de de de de groupegroupegroupegroupe::::

L’onde qui résulte de la superposition des deux ondes monochromatique est uneonde de pulsation ω0 modulée par une onde de pulsation ∆ω.

C’est deux ondes en se superposant vont faire apparaître au cours de leur propagation des zones où elles sont en phase (des ventres) et des zones ou elles sont désynchronisées (des nœuds)

27


Vitesse et indice de groupe

( )Nc

kc

kg = =

∂ω ∂

∂∂ω/

−−−−====

++++====∂λ∂λ∂λ∂λ∂∂∂∂λλλλ

∂ω∂ω∂ω∂ω∂∂∂∂ωωωω n

nn

nN g

0ω∂∂ω

=k

vg

TF.TF.TF.TF.tttt

ωωωω0 0 0 0 ωωωωVVVVgggg

VitesseVitesseVitesseVitesse de de de de groupegroupegroupegroupe

IndiceIndiceIndiceIndice de de de de groupegroupegroupegroupe::::

⇒⇒⇒⇒

Dans le cas d’une impulsion optique possédant un spectre continu, la vitesse de groupe s’identifie à la dérivée de la fréquence par rapport au vecteur d’onde k. De ce fait dans le domaine spectral, la vitesse de groupe est un paramètre qui peut varier.

28


Dispersion chromatique - Définition

0g

k

ωωωωωωωωττττ

∂∂∂∂∂∂∂∂====Le temps que met l’impulsion pour parcourir l’unité de longueur:

Le temps que met l’impulsion pour parcourir une lon gueur L: Lgττττττττ ====

La dispersion des temps de La dispersion des temps de La dispersion des temps de La dispersion des temps de groupegroupegroupegroupe pour pour pour pour uneuneuneune impulsion impulsion impulsion impulsion avec large avec large avec large avec large spectrespectrespectrespectre::::

L’élargissement d’impulsion

LD .. λτ λ ∆≅∆

Lkc2

Lk

2

2

2

∂∂∂∂∂∂∂∂−−−−====

∂∂∂∂∂∂∂∂

∂∂∂∂∂∂∂∂====

ωωωωλλλλππππ

ωωωωλλλλλλλλ∆∆∆∆ττττ∆∆∆∆

02

2

2kc2

D

ωωωωλλλλ

ωωωωλλλλππππ

∂∂∂∂∂∂∂∂−−−−====Avec:Avec:Avec:Avec:

⇒⇒⇒⇒

(((( )))) (((( )))) λλλλ∆∆∆∆λλλλττττλλλλττττλλλλττττ

λλλλ00

∂∂∂∂∂∂∂∂++++====

L’élargissement temporel de l’impulsion suite au phénomène de dispersion chromatique est proportionnel au coef de dispersion chromatique Dλ, à la largeur spectrale de l’impulsion (du signal) et également à la distance parcourue par l’impulsion. Plus le débit et la longueur augmente plus les impu lsionss’élargissent (se déforment) et plus l’impact sur l a qualité de la transmission est importante.

29


Impact de la dispersion Impact de la dispersion Impact de la dispersion Impact de la dispersion ChromatiqueChromatiqueChromatiqueChromatique

+ Modulation de + Modulation de + Modulation de + Modulation de frfrfrfrééééquencequencequencequence qui qui qui qui ddddéééépendpendpendpenddu du du du signesignesignesigne de Dde Dde Dde Dλλλλ

ElargissementElargissementElargissementElargissement dddd’’’’impulsionimpulsionimpulsionimpulsion::::

Vg1

Vg2

Vg3

λ

Z / tZ = 0 ∆τ = Dλ ∆λ Ζ0

Z = Z0

TFTFTFTF

30


Dispersion chromatique dans la silice

LDn

cD

c

N ggg λτ

λ∂∂λ

λ∂τ∂

τ λλ ∆=∆−==⇒=2

2

DDDDλλλλ : : : : pspspsps / (nm.Km)/ (nm.Km)/ (nm.Km)/ (nm.Km)

λλλλ

Dλλλλ

1,3 µm

Dispersion Dispersion Dispersion Dispersion chromatiquechromatiquechromatiquechromatique dansdansdansdans SiOSiOSiOSiO

Le coefficient de dispersion chromatique est obtenu à partir de la mesure de l’indice du matériau en fonction de la longueur d’onde (dérivée seconde)

La dispersion chromatique s’annule autour de la longueur d’onde de 1,3 µm

31


Dispersion Chromatique dans les fibres

λλλλ

Dλλλλ

1,3 µm

MatMatMatMatéééériauxriauxriauxriaux

(((( ))))guidem2

2

2

22122

2DD

dV

VBdV

nN

c)NN(n

cdd

D ++++====−−−−−−−−−−−−========λλλλ∂λ∂λ∂λ∂λ

∂∂∂∂λλλλλλλλττττ

λλλλ

(((( ))))22

21

22

20

nn

nk/B

−−−−−−−−====

ββββ

22

210 nnakV −−−−====

N1, N2 : indices de groupe

GuideGuideGuideGuide

Le coefficient de dispersion chromatique d’une fibre optique (guide optique) est la somme de la dispersion chromatique du matériau et de la dispersion chromatique de l’indice effectif du mode.

32


Fibres à dispersion décalée

Nouveau Nouveau Nouveau Nouveau profilprofilprofilprofil dddd’’’’indiceindiceindiceindice::::

Objectif: réduire la dispersion chromatique: modifi er la dispersion des modeen changeant le profil d’indice de la fibre

→

En modifiant le profil d’indice des fibres, on modifie la dispersion de l’indice effectif et on est capable de créer des fibres optiques à dispersion décalée qui ne possède pas de dispersion chromatique autour de la longueur d’onde de 1,55µm.

33


Compensation de la dispersion chromatique

LLL

0LDLD

21

2211

====++++====++++

•UtiliserUtiliserUtiliserUtiliser des des des des fibresfibresfibresfibres avec avec avec avec uneuneuneune faiblefaiblefaiblefaible dispersion Ddispersion Ddispersion Ddispersion Dλλλλ

•UtiliserUtiliserUtiliserUtiliser uneuneuneune fibrefibrefibrefibre composite avec des composite avec des composite avec des composite avec des caractcaractcaractcaractééééristiquesristiquesristiquesristiques DDDDλλλλ de de de de signessignessignessignes opposopposopposopposééééssss ::::

λ

Z / t

Z = 0

Z=L1

∆τ = Dλ ∆λ Ζ0

DDDD1111>0>0>0>0

DDDD2222<0<0<0<0

Z=L2

En combinant deux tronçons de fibres optiques qui possèdent des coefficients de dispersion chromatique de signes opposés, il est possible d’annuler l’effet de la dispersion tout en gardant dans chaque tronçon cet effet. Cela rend également possible de compenser la dispersion chromatique sur des fibres anciennes dans lesquelles ont souhaite augmenter le débit: Il suffit pour cela d’insérer un tronçon de fibre à coeff de dispersion chromatique de signe opposé à un endroit de la ligne de transmission.

34


Limitations induites par la

dispersion chromatique

nDT

1====

DDDDnnnn : data rate (bit/s): data rate (bit/s): data rate (bit/s): data rate (bit/s)Signal détérioré !!

10 <<<<λλλλ∆∆∆∆⇒⇒⇒⇒ττττ∆∆∆∆>>>> λλλλDzDT nCondition de base:Condition de base:Condition de base:Condition de base:

εεεε<<<<λλλλ∆∆∆∆⇒⇒⇒⇒ττττ∆∆∆∆>>>>εεεε λλλλDzDT n 0Condition (signal)Condition (signal)Condition (signal)Condition (signal)

Les conditions de fonctionnement d’un système de transmission optique données ci-dessus sont une estimation de ce que doivent être les paramètres: débit numérique, distance de ligne et largeur spectrale du signal pour une dispersion chromatique donnée.

35


Dispersion Modale de Polarisation (1)

nx

ny

BirBirBirBirééééfringencefringencefringencefringence induiteinduiteinduiteinduite dansdansdansdans la la la la fibrefibrefibrefibre

Causes:Causes:Causes:Causes:•Stress mécanique induit au cours de la fabrication de la fibre

•Stress mécanique induit par des vibrations

DeuxDeuxDeuxDeux vitessesvitessesvitessesvitesses de de de de groupegroupegroupegroupe selonselonselonselon deuxdeuxdeuxdeuxpolarisationspolarisationspolarisationspolarisations orthogonalesorthogonalesorthogonalesorthogonales

36


Dispersion Modale de Polarisation (2)

⇔⇔⇔⇔ Orientation alOrientation alOrientation alOrientation alééééatoire des contraintesatoire des contraintesatoire des contraintesatoire des contraintes

S1 S2

∆τ

L∝τ∆

Limite de la PMD: il faut que Limite de la PMD: il faut que Limite de la PMD: il faut que Limite de la PMD: il faut que ∆τ∆τ∆τ∆τ <10% temps bit<10% temps bit<10% temps bit<10% temps bitIl nIl nIl nIl n’’’’y a pas encore de systy a pas encore de systy a pas encore de systy a pas encore de systèèèème opme opme opme opéééérationnel de compensation de rationnel de compensation de rationnel de compensation de rationnel de compensation de PMD!!!PMD!!!PMD!!!PMD!!!

37


III.III.III.III. Amplification optiqueAmplification optiqueAmplification optiqueAmplification optique

38


Les MatLes MatLes MatLes Matéééériaux pour lriaux pour lriaux pour lriaux pour l’’’’amplificationamplificationamplificationamplification

1660 nm1640162016001580156015401520150014601440 1480

1660 nm1640162016001580156015401520150014601440 1480

Fluoride EDFA 62 nm

EDFA 52 nm

EDFA ~47 nm

Tellurite EDFA 76 nm]

TDFA 37 nm

TDFA 35 nmRaman + Fluoride EDFA 80 nm

Dist. Raman + Fluoride EDFA 83 nm

Raman + TDFA 53 nm

Raman 18 nmRaman 40 nm

Raman 100 nmRaman 132 nm

C-Band L-BandS-Band U-BandE-Band

39


Principe de lPrincipe de lPrincipe de lPrincipe de l’’’’amplification optiqueamplification optiqueamplification optiqueamplification optique

Energie de l’ion Er 3+

E10

1.54 eV

1.27 eV

0.80 eV E2

E3

E′3

1550 nm 1550 nm

Out

980 nm

Désexcitation non-radiative

Pompe

40


Architecture complArchitecture complArchitecture complArchitecture complèèèète dte dte dte d’’’’un ampli.un ampli.un ampli.un ampli.

Erbium Aluminum Doped Optical FiberL = 10 ~ 80m, Er ~ 500 ppm = 0.05 %

980nm Pump

Laser Diode

20:1 Coupler

1,480nm Pump

Laser Diode

Rear ModulatorReflector / Isolator

PIN

Input Output

Long PeriodFiber Grating

SV Monitor &

Control Circuiit

LPG

PIN

20:1 Coupler

Input LevelMonitorPhoto-Diode

Output LevelMonitorPhoto-Diode

DC Input Power: 9 V 0.87 A ~ 8 W typ

Coupler

WDM MUX

Coupler

980nm Pumping 1,480nm Pumping

41


Ampli optique sousAmpli optique sousAmpli optique sousAmpli optique sous----marinmarinmarinmarin

Document AlcatelDocument AlcatelDocument AlcatelDocument Alcatel

42


IV. Technologie

Des

fibres optiques

43


Fabrication des Fabrication des Fabrication des Fabrication des fibresfibresfibresfibres optiquesoptiquesoptiquesoptiques (1)(1)(1)(1)

Préforme

Préforme

SiClSiClSiClSiCl4444 +O+O+O+O2222

GeClGeClGeClGeCl4444

Gaine Coeur

44


Fabrication des Fabrication des Fabrication des Fabrication des fibresfibresfibresfibres optiquesoptiquesoptiquesoptiques (2)(2)(2)(2)

FibrageFibrageFibrageFibrage

Four

Préforme

Contrôle du diamètreEnduction de polymère

Test de résistance

FibreFibreFibreFibre optiqueoptiqueoptiqueoptique

Préforme : 1 m et d'un diamètre de 10 cm permet d'obtenir par étirement une fibre monomode d'une longueur de 150 km environ!

45


Connectique

FFFFééééruleruleruleruleFibre Férule

Adaptateur

46


Efficacité de couplage

−=

2

2rexp

ωΦ

−=

2

2rexp

σΨ

ΦΦΦΦ ΨP0

P1

0

12

2

P

PdS*. == ∫ ΨΦη

FibreFibreFibreFibre

Injection de la Injection de la Injection de la Injection de la lumilumilumilumièèèèrererere dansdansdansdans uneuneuneune fibrefibrefibrefibre

RendementRendementRendementRendement de de de de couplagecouplagecouplagecouplage::::

122 == ΦΨ

47


EfficacitEfficacitEfficacitEfficacitéééé de de de de couplagecouplagecouplagecouplage en en en en fonctionfonctionfonctionfonction du du du du

diamdiamdiamdiamèèèètretretretre de modede modede modede mode

ηω σ

ω σ2 2

2 2

2

=+

σ / ω543210

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

η2

Φ / ωΦ / ωΦ / ωΦ / ω

Ψ /σΨ /σΨ /σΨ /σ

P0

P1

48


EfficacitEfficacitEfficacitEfficacitéééé de de de de couplagecouplagecouplagecouplage en en en en fonctionfonctionfonctionfonction dededede

llll’é’é’é’écartementcartementcartementcartement entre entre entre entre fibresfibresfibresfibres

( ) 2

0

2

0

1

+=

z

zz

ωω

( )( )( )22

0

202

2

4

z/z

z/zη

+

+=

z/z0

0151050

1

0.8

0.6

0.4

0.2

ηηηη2222

zzzz

µm50z20

0 ≈≈≈≈====λλλλωωωωππππ

ωωωω(z)(z)(z)(z) ( )zω

49


Filtrage et multiplexage optiquepour les transmissions optiques

Mineure ELPModule 201

Bruno FracassoDépartement d’optique

Ce cours est une introduction aux dispositifs de filtrage et démultiplexage optique utilisés en transmission à fibre optique.

50


Spectre lumineux

Type de spectre• Continu : solide incandescent (lampe à filament), lumière solaire• Discret : gaz excités (lampe à vapeur de Hg, Na)

Largeur spectrale• Liée à la cohérence temporelle (Lc : longueur de cohérence)

Profil spectral• la forme Lorentzienne est à attribuer aux collisions entre atomes

• La distribution Gaussienne provient de l'effet Doppler, variation de la fréquence émise par les atomes du fait de leur mouvement.

( )20

2241

1)(

νντπν

−+=LI

−−−−−−−−==== 2

20

2

)(exp)(

σνννGI

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Lorentzienne

Gaussienne

∆νL = 2σ (2 Ln 2)1/2

∆νG = 1/(2πτ)

∆ν = α c/Lc

Les sources lumineuses peuvent être classées en fonction de leur dégré de cohérence, lui-même lié au mécanisme de production de la lumière.

La cohérence est une notion qui caractérise le rayonnement : un laser émet un rayonnement cohérent alors qu’une lampe à incandescence émet une lumière incohérente. On distingue :

1. La cohérence spatiale, caractérisant l’étendue spatiale des ondes issues d’une même source et à leur corrélation plus ou moins forte dans des rédgions différentes de l’espace

2. La cohérence temporelle, qui donne le caractère plus ou moins « monochromatique » de l’onde, sachant que la lumière peut être représentée par des « trains d’ondes » décorrélés en phase. La longueur moyenne du train d’onde Lc est appelée longueur de cohérence. La cohérence du champ électrique s’exprime à l’aide d’un terme de phase aléatoire φ(t)

E(t) = E0 exp[i(ω0t+ φ(t))]

On définit alors la fonction d’autocorrélation Γ(τ) par

Γ(τ) = < E(t) E*(t- τ)

En prenant la transformée de Fourier de Γ(τ), on obtient la densitéspectrale de puissance (ou « spectre lumineux ») de l’onde lumineuse

51


Spectre du signal optique WDM

Composition• Signal : multiplex WDM à ∆λ = λi+1 – λi = 0,8 nm (norme ITU)

• Bruit : émission spontanée amplifiée (ASE); largeur de bande 30 nm

Conversion λ↔ ν

ν (Hz)λ (nm)

γ(λ) λ1 λ2 λ3 λ4 λ5

bruitbruit

signal

Den

sité

spec

tral

ede

pui

ssan

ce

νλ c=

νν

λλ ∆=∆

44444 344444 21µm 55,1

Ghz 100 nm 8,0=

=∆⇔=∆λ

νλ

Notion de canal optique :

52


Définitions

Filtrage optique• Limite l’occupation spectrale d’une onde lumineuse

Démultiplexage optique• Sépare le spectre d’une onde lumineuse en bandes spectrales adjacentes

Analyse de spectre optique• Détermine les composantes spectrales d’une onde lumineuse• Regroupe les fonctions de filtrage et de démultiplexage

CCD

Filtre spatialmobile

DMUX

DMUX MUX

Détec.Détec.

Filtre dynamique(accordable)

1. Le filtrage est une opération fondamentale en télécommunications. Il permet de limiter l’occupation spectrale d’un signal. Cette opération peut-être justifiée pour :

• Séparer la bande fréquentielle utile du bruit ambiant

• Séparer le signal utile des bandes fréquentielles adjacentes, lorsque les canaux sont multiplexmultiplexéés en frs en frééquencequence

En transmission à moyenne et longue distance, le signal est le plus souvent portépar l’amplitude complexe ou l’intensité d’une onde électromagnétique.

On rappelle que la transmission sur fibre optique utilise deux bandes de transmissions préférentielles :

• Autour de 1300 nm pour les moyennes distances (typ. < 10 km)

• Autour de 1550 nm pour les longues distances (plusieurs dizaines àcentaines de km).

2. Le démultiplexage optique consiste à « éclater » spatialement le spectre d’une onde lumineuse en bandes spectrales adjacentes. Le multiplexage est l’opération inverse.

3. L’analyse de spectre est une opération qui peut être implantée soit par filtrage ou démultiplexage optique.

53


Dispositifs de filtrage WDM

Désentrelaçeur

λ1

λ2

λ3

λ4

A titre d’ilustration, on considère cinq dispositifs que l’on pourra utiliser dans un réseau optique WDM. L’entrée est costituée d’une (ou plusieurs) fibre(s) véhiculant des canaux optiques aux longueurs d’ondes λ1 λ2 … λN. Ces porteuses sont modulées par l’information utile à transmettre. En sortie (une ou plusieurs fibres), on retrouvera les canaux optiques « filtrés » ou (de)multiplexés. Les dispositifs considérés sont :

1. Le filtre optique : le schéma illustre le cas d’un passe-bande qui extrait un canal en sortie. Les canaux non-filtrés sont aiguillés sur un troisième port.

2. Le multiplexeur optique : chaque entrée doit correspondre à un canal optique fréquentiel bien défini pour être injectée dans le canal de sortie, formant ainsi un multiplex WDM. Le dispositif est réciproque et peut fonctionner à une entrée et plusieurs sorties, pour former un démultiplexeur optique.

3. Le multiplexeur à insertion-extraction optique (MIEO). C’est un composant très utilisé sur les anneaux optiques métropolitains. Il permet de prélever et d’insérer un canal optique de manière optiquement transparente, sans perturber les autres canaux optiques. Il combine généralement des opérations de filtrage et de démultiplexage. L’acronyme Anglais correspondant est OADM (Optical Add-Drop Multiplexer).

4. Le routeur en longueur d’onde. C’est un multiplexeur/démultiplexeur généralisé. Chaque canal optique d’entrée est routé vers une fibre de sortie spécifique en fonction de sa longueur d’onde.

5. Le désentrelaceur est une fonction de démultiplexage « périodique ». Il permet de diminuer la densité des canaux optiques d’un multiplex WDM. Le dispositif réciproque est l’entrelaceur.

54


Filtrage en transmission optique

Emission/Réception• Filtrage des modes longitudinaux du laser• Réception : limitation de la bande-optique avant photo-détection pour réduire

le bruit.

Filtrage en ligne

MUX

DMUX

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1535 1540 1545 1550 1555 1560

Wavelength (nm)

Ga

in (

dB

)Pin = -20 dBm

Pin = -15 dBm

Pin = -10 dBm

Pin = -5 dBm

Pin = 0 dBm

Profil de gain d’un amplificateur optique à fibre dopée Erbium

Mise en cascade

On donne ici deux illustration du filtrage fréquentiel opéré sur un système de transmission optique WDM.

1. au niveau des composants d’extrémités : la porteuse optique est un signal émis par un composant laser, dont les modes longitudinaux sont filtrés par une cavité de type Fabry-Perot. En réception le canal optique WDM utilisé par le récepteur est extrait par filtrage optique.

2. en ligne : la courbe de réponse non uniforme des amplificateurs optiques (EDFA) induit un filtrage fréquentiel du spectre WDM.

55


Paramètres d’un filtre optique (passe-bande)

Fréquence centrale Pertes d’insertion

Bande-passante à x dB Diaphonie

Dispersion chromatique Pertes dépendant de la polarisation

(PDL)

0

Bande-passante à x dB

10 logT ou 10 logR

ν (Hz)

λ (nm)ou

y (nm ou GHz)

Diaphonie ày nm

Li

Li - x

λ0, ν0

Pe (λ) Ps (λ)

( )( )0

00 log10)(

λλλ

e

si P

PL ⋅=

( )( )0

20log10)(λ

λ

e

ys

P

PyD

+⋅= D

On considère le cas d’un filtre passe-bande pour définir les principaux paramètres d’un filtre optique.

Nous aurons ainsi :

1. La fréquence centrale du filtre ν0, et la longueur d’onde correspondante λ0 = c/ν0.

2. Les pertes d’insertion du filtre, définies sur la bande-filtrée comme le rapport entre la puissance d’entrée et la puissance de sortie (valeurs en dB, bien évidemment).

3. La bande-passante à « x » dB du filtre, qui peut s’exprimer sous forme d’un ∆λ(en nm) ou sous forme d’un ∆f (en Ghz). Nous avons bien évidemment, en valeur absolue, ∆f/f = ∆λ/λ

4. La diaphonie à « y » nm (ou GHz) définie comme la puissance relative résiduelle en dehors de la bande filtrée. Ce paramètre est extrêmement important dans les transmissions optiques. Pour la plupart des filtres (et des multiplexeurs) en transmission WDM, la diaphonie à 20 GHz doit être inférieure à -40 dB.

5. La dispersion chromatique est la variation du temps de propagation de groupe àla traversée du filtre en fonction de la longueur d’onde. Elle est généralement faible, sauf aux extrémités de la bande filtrée.

6. Les pertes dépendant de la polarisation (PDL, Polarisation Dependant Loss), traduisant le fait que les pertes d’insertion peuvent dépendre de la polarisation de la lumière en entrée du filtre.

56


Fonction de transfert réelle (1/2)

Exemple 1 : le filtre de Bragg en réflexion

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

193.67 193.68 193.69 193.70 193.71 193.72 193.73

Frequency (Thz)

Loss

( d

B )

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

Chr

omat

icD

ispe

rsio

n(

ps/n

m )

10 Ghz

100 ps/nm

A titre d’exemple, voici la mesure expérimentale de la fonction de transfert d’un filtre passe-bande, en l’occurrence un filtre de Bragg observé sur son port de transmission.

On illustre ainsi les paramètres de pertes d’insertion (-2 dB), de diaphonie à 60 GHz (-32 dB), et de dispersion chromatique.

57


Fonction de transfert réelle (2/2)

Exemple 2 : le filtre de Bragg en transmission

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

193.1 193.3 193.5 193.7 193.9 194.1 194.3Frequency (Thz)

Loss

( dB

)

-50

-25

0

25

50

75

Chr

omat

ic D

ispe

rsio

n( p

s/nm

)

Ripple 0.25 dB

+/-35 ps/nm

Pertes d’insertion Rejection

Firefox.lnk

Voici maintenant la mesure sur le port en transmission du filtre de Bragg : nous obtenons une caractéristique « coupe-bande ». En clair, les fréquences filtrées (donc sélectionnées) sur le port en réflexion apparaissent comme absorbées sur ce port (réjection).

A noter que les pertes d’insertion sont encore plus faibles dans ce cas (0,6 dB). Les ondulations dans la bande transmise (ripple) sont un facteur de dégradation de la transmission. Même remarque pour les distorsions en dispersion chromatique.

58


Principaux défauts des filtres optiques WDM

BP trop faible BP trop largeRemontée de lobes latéraux

Longueur d’onde centrale

Pertes d’insertion

Intervalle spectral libre(FSR)

De manière schématique, on peut énoncer les principaux défauts de filtrage en transmission WDM. Le multiplex incident est représenté par une série de traits (rouges). Nous pouvons noter respectivement :

1. une bande-passante trop juste pour extraire intégralement le canal optique, de sorte que les fréquences extrêmes de ce dernier sont filtrées.

2. une bande-passante trop large, générant de la diaphonie entre le canal extrait et les canaux adjacents.

3. un filtre présentant une remontée de lobes latéraux, dont l’effet est identique àcelui du cas précédent.

4. une fonction de transfert périodique (de type Fabry-Pérot), qui peut être utilisée pour extraire un « sous-multiplex » d’un multiplex original.

5. un décalage de longueur d’onde centrale (effet mécanique, termique …), générant un filtrage imparfait du canal optique

6. des pertes d’insertion trop importantes.

59


Filtre Fabry-Pérot

Facteur de réflexion(éclairement)

indice

n=1

L

LISL

2

2λ=LR

-R

πλ

δλ2

1

2

=

IntervalleSpectral Libre

Largeur à mi-hauteurFWHM

Finesse = ISL/ δλ

r2 = R

r

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-10 -5 5 10λλλλ

Intervalle spectral libre(ISL)

δλ

Fibre

Piézoélectrique

Miroirs

R1

R2R3

⋅−

+=

λπ

λnL

R

RII

2sin

)1(

41

1)(

22

max

-RRF

1π=

Les paramètres d’une cavité Fabry-Pérot sont : (i) son épaisseur L, son indice n, et son coefficient de réflexion en amplitude, noté r.

L’éclairement transmis peut être évalué en évaluant la superposition de toutes les amplitudes des ondes transmises par la cavité après réflexions successives. Ces interférences seront constructives ou destructives en fonction de la longueur d’onde incidente

La cavité de Fabry-Pérot est filtre périodique dans le sens où son coefficient de transmission est une fonction périodique en fonction de la longueur d’onde (mais pas de la fréquence !). La période du filtre est appelée « Intervalle spectral libre », ou ISL.

Les principaux paramètre du filtre sont :

• l’intervalle spectral libre

• la largeur de la fonction de transfert à mi-hauteur (Full Wave Half Maximum, FWHM)

• la finesse , définie comme le rapport entre les deux paramètres précédents.

60


Réseaux épais (de Bragg) : milieu ΛΛΛΛ-périodique

Filtre de Bragg

θ

θ

Λ

- Condition de résonance (accord de phase)

- Longueur d’onde réfléchie (incidence normale)

- Modélisation fine : théorie des ondes couplées

nm

λθ cos2 =Λ

n 2 Λ=λ

-En pratique : R = R(λ), optimisé pour la longueur d’onde centrale λ0

R R

Réseau non apodisé Réseau apodisénL2

FWHM2λ

=Réponse spectrale

m : ordre de diffractionn : indice effectif à λ

Les principales structures de lasers utilisés en télécoms (lasers à semi-conducteurs) utilisent des réseaux de Bragg pour filtrer les modes longitudinaux émis par la cavité. On peut ainsi citer les lasers DFB (Distributed Feedback) et DBR (Distributed Bragg Reflector).

Le réseau est formé par un milieu présentant une variation périodique de l’indice de réfraction n. On note Λ la période spatiale de l’indice. La présence de ce réseau provoquera la présence de deux ondes se propageant en sens contraire le long du réseau. Des phénomènes de réflexion, d’absorption et de transmission se produisent en chaque point du réseau, générant un couplage entre les ondes propagatives et contra-propagatives . Le calcul précis des champs émergeant de part et d’autre du réseau est de ce fait compliqué.

En incidence normale, les longueurs d’onde réfléchies par le réseau se déterminent en exprimant le fait que toutes les contributions réfléchies sont en phase, c’est-à-dire :

2Λn = mλ

L’entier m est l’ordre de diffraction du réseau. La longueur d’onde de Bragg correspond à m = 1.

La réponse spectrale est liée au profil de variation de l’indice périodique. Elle peut présenter des remontées de lobes secondaires générant de la diaphonie. La méthode d’apodisation consiste à appliquer une fonction de fenêtrage spatial sur le profil d’indice, permettant de diminuer la puissance des lobes secondaires.

61


Réseaux de Bragg intégrés dans les fibres

Spectred’entrée

Spectreréfléchi

Spectre transmis

quelques cm

n2

λ=Λ

510−≈∆n

Profil d’indice

5,1

Le réseau de Bragg peut être photo-inscrit directement dans la fibre optique qui transmet le signal à filtrer. On obtient ainsi un composant très compact, de plus en plus répandu dans le domaine des transmissions optiques ou des capteurs à fibre optique.

Si l’on veut extraire une longueur d’onde proche de 1,55 µm, l’ordre de grandeur du pas du réseau à inscrire est Λ = 1,55·10-6/(2·1,5) ~ 510 nm.

62


Réseaux de Bragg inscrits dans les fibres

Principe• Effet photoréfractif dans les fibres en silice dopée à l’oxyde de germanium• Illumination en lumière U.V. (laser excimère, λ = 248 nm)

Photo-inscription par illumination latérale• Interférences entre deux ondes planes• Période de réseau ajustable par l’angle (miroirs de LLOYD)• Procédure sensible à la température.

Photo-inscription à travers un masque de phase• Interférences entre ordre +1 et –1 (élimination de l’ordre 0)• Période double de celle du réseau à photo-inscrire• Réseaux synthétiques -> apodisation aisée

Le réseau de Bragg fibré (Fiber Bragg Grating, FBG) est obtenu par procédéholographique en inscrivant un motif d’interférences à deux ondes planes dans le cœur d’une fibre dopée, présentant des propriétés « photo-réfractives »

63


Amplificateurs optiques à « réponse aplatie »

Gain (dB)

Courbe de gain corrigée

1500 1530 1600 nm

Profil de gain d’un amplificateur optique EDFA

Méthodes d’égalisation de gain

1) Modification de la structure de l’EDFA (utilisation de verres fluorés)

2) Démultiplexage de longueurs d’ondes et atténuateurs variables

3) Filtrage inverse

RéseauBragg 1

RéseauBragg 2

RéseauBragg 3circulateur

F -1

Une première application des filtres optiques sous forme de réseaux de Bragg est l’aplatissement de la réponse spectrale des amplificateurs optiques de type EDFA, fréquemment utilisés en transmission optique.

L’idée consiste à faire passer le signal dans une série de filtres (cascade) dont la réponse spectrale cumulée se rapproche de la fonction inverse du gain de l’EDFA. On obtient ainsi une réponse globale « aplatie ». L’aiguillage du signal entre l’entrée et la sortie des réseaux de Bragg (en mode réflexion) se fait au moyen d’un circulateur optique.

64


Compensation de dispersion chromatique

0=Z

Entrée

Sortie

1,4400

1,4450

1,4500

1,4550

1,4600

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

nm

indi

ce

Indice de la silice en fonction de λ

λ1 λ2 λ3< <

Réseau de Bragg fibré

Circulateur

2

2

0

1

λλ

λ d

dn

cd

dT

LD g −==

Vg1

Vg2

λ

Z /

Z = Z0

∆τ= D ∆λ Ζ

Vg3Vg3

λ

Vg1

Vg2

0ZZ =0ZD ⋅∆⋅=∆ λτ λ

tZ /

Il faut retarder les basses fréquences (+ grandes λ) par rapport aux hautes fréquences (+ faibles λ)

Dispersion anormale

Un principe similaire peut être appliqué pour compenser la dispersion chromatique accumulée lors de la propagation sur une fibre optique.

On rappelle que pour une fibre standard en silice (monomode), la dispersionchromatique Dλ provient essentiellement du matériau. Elle s’exprime par

Dλ = ∂τg/∂λ = -(λ/c) ∂2n/∂λ2 , où τg est le temps de propagation de groupe et n désigne l’indice de réfraction de la silice. L’unité de dispersion chromatique est le ps/nm/km. La courbe donnant l’indice en fonction de la longueur d’onde montre que ∂2n/∂λ2 < 0 à 1550 nm, donc Dλ>0. On parle alors de dispersion anormale . Par conséquent, plus la longueur d’onde augmente, plus le temps de groupe augmente et les longueurs d’ondes les plus grandes du paquet d’ondes (plus faibles fréquences) se propageront plus lentement que les faibles longueurs d’onde (hautes fréquences).

La dispersion chromatique de la fibre monomode standard (dite G-652) est typiquement de 17 ps/nm/km. Pour compenser cette dispersion chromatique, on peut utiliser un tronçon de fibre à dispersion négative (typ. -100 ps/nm/km). On peut également avoir recours à des filtres de Bragg disposés en cascade, associés à un circulateur optique pour séparer l’entrée de la sortie.

65


Multiplexeur à Insertion-Extraction Optique

Structure d’un MIEO

Solution 1 : réseau de Bragg + circulateurs

• Problème majeur : coût élevé des circulateurs

Multiplexeur à Insertion-Extraction OptiqueOptical Add-Drop Multiplexer

MIEO(OADM)

λi

λe λi

λi - λe+ λi

Extraction (drop) Insertion (Add)

Entrée SortieAnneau Optique

(réseau métropolitain)

Le multiplexeur à insertion extraction optique (MIEO) est un dispositif couramment employé sur les réseaux WDM, et en particulier sur les anneaux optiques métropolitains. Il permet d’insérer et d’extraire une (ou plusieurs) longueurs d’ondes sur un multiplex optique de manière transparente, sans recourir à aucune une conversion optique-électronique. De plus, l’opération s’effectue sans perturber les autres longueurs d’ondes. Les quatres ports – (1) Entrée (2) Sortie (3) Insertion et (4) Extraction – sont des fibres optiques.

Nous allons envisager plusieurs architectures d’implantation de MIEO à base de filtres et/ou de multiplexeurs optiques.

La première solution consiste à utiliser un réseau de Bragg pris en sandwich entre deux circulateurs optiques. L’opération s’effectue en 3 temps :

1. le multiplex entrant (λ1, .. λn) est aiguillé vers le réseau de Bragg par le circulateur,

2. le pas du réseau étant réglé pour filtrer la longueur d’onde λo (par réflexion) celle-ci est aiguillée par le circulateur vers le port d’extraction (Drop),

3. Un canal optique (modulé) à longueur d’onde λo est inséré sur le port Add. Il se réfléchit donc sur le réseau de Bragg est est aihuillé vers le port de sortie (Out) par le circulateur.

On a donc globalement réalisé la fonction de MIEO.

66


Note : le coupleur optique directionnel

LE1

E2

S1

S2

( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )( )( )

⋅

⋅=

νν

κκκκ

βνν

2

1

2

1

cossin

sincosLi-exp

E

E

LLi

LiL

S

S

( )gs nndw ,,,κκ = : coefficient de couplage

– Structure planaire sur guide d’onde optique ou fibre fusionnées

– Facteur de transmission en considérant une seule entrée activée (E2 = 0)

– Coupleur à –3dB :

– De multiples applications : métrologie optique, coupleurs en étoile, structure Mach-Zehnder…

)(sin et )(cos 22

1

2

222

1

2

1κL

E

SκL

E

S==

κπ

4)12( += kL

( )

=− 1

1

2

exp 3 i

i-iβiC dB

wd

Le coupleur directionnel est constitué de deux guides d’ondes voisins (parallèles) intéragissant sur une longueur L. L’intéraction est provoquée par un ajustement de la distance entre les guides (d).

La matrice de transfert du champ entre les deux entrées et les deux sorties permet de calculer le coefficient de couplage (en puissance).

On peut ainsi réaliser un coupleur équilibré (3dB) en ajustant le longueur du composant.

67


Multiplexeur à insertion-extraction optique

Solution 2 : réseaux de Bragg + coupleurs à 3 dB

On peut proposer une fonction de MIEO en associant deux réseaux de Bragg à deux coupleurs à 3 dB comme indiqué sur la figure ci-dessus

En utilisant la matrice de couplage précédemment introduite, on peut montrer que le port d’extraction reçoit bien le canala optique à λi injecté via le port d’entrée, et que le port de sortie reçoit bien le canal optique inséré à λi.

Le démontrer à titre d’exercice.

68



T(λ)

λ

1

0,5 δλ

ISLCoupleur

CavitéF.P.

λ1 λ2 λ3 λ4

λ1

λ2 λ3 λ4

λ5

λ2 λ3 λ4 λ5

Solution 3 : Filtre Fabry-Pérot + coupleur à 3 dB

• Technologies d’implantation

- micro-cavités accordables sur fibres : cales piezo-électriques, MEMS

- Réseaux de Bragg photo-inscrits sur fibres : miroirs diélectriques

On peut également réaliser la fonction MIEO en utilisant un filtre Fabry-Pérot (FP) associé à un coupleur optique.

Le démontrer à titre d’exercice.

69



Solution 4 : Multiplexeurs en λ + commutateur spatial

Entrée(IN)

Sortie(OUT)

Insertion(ADD)

Extraction(DROP)

λ1

λ4

Technologie MEMS

Micro-miroir à platou relevé à 90°

λ2DEMUX

λ1 … λ4λ3

MUX

λ2

λ4 λ3 λ1λ2

λ2

λ2

λ2

Une dernière solution : quatre multiplexeurs/démultiplexeurs optiques couplés à une matrice de micro-miroirs. Ces derniers sont implantés en technologie MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems), permettant d’obtenir une haute densité d’intégration (qq centaines de microns par miroir) et une grande souplesse dans le positionnement. Les miroirs sont orientables suivant deux positions : « baissés »dans le plan de la feuille (à plat) ou à 90°de celle- ci (levés).

Ainsi, pour extraire (et insérer) une longueur d’onde λi, il suffit de baisser le ième

miroir.

A l’inverse, les canaux optiques situés sur le trajet des miroirs levés ne seront pas traités.

Bien que très flexible car reconfigurable et permettant d’extraire et d’insérer n’importe quel groupe de longueurs d’ondes, ce système se révèle plutôt couteux par rapport aux solutions précédentes

70


Réseaux de diffraction pour le démultiplexage optique

Réseaux minces

• Équation des réseaux :

• Sélectivité angulaire :

Configurations d’utilisation

• Du spectroscope …au lecteur CD/DVD…au WDM.

θi θd

p

( ) λθθ mp di sin sin =−

d

d

d

m

θλθ

cos

⋅=

∂∂

Réseau en transmission

Réseau en réflexion e

pλ

Hypothèse deréseau mince

222

λλδkp

ke−

=

p <<δ

Un réseau de diffraction est un composant présentant une variation périodique de l’épaisseur ou de l’indice de réfraction. Cette variation peut-être mono- ou bidimensionnelle. Le réseau pourra être utilisé (éclairé) soit en réflexion soit en transmission.

L’angle de déflexion d’une onde plane incidente en fonction de la longueur d’onde et du pas du réseau est donné par l’équation des réseaux. Le paramètre m est l’ordre de diffraction. En pratique, on travaille sur l’ordre m = 1.

Le profil d’une période du réseau (modulation, d’amplitude et/ou de phase) va fournir la répartition relative de l’éclairement dans les différents ordres du réseau.

La fonction réalisée est une conversion de la longueur d’onde en un angle de propagation. On peut donc utiliser le réseau de diffraction pour démultiplexer une lumière incidente, qu’elle soit à spectre continu ou discret (i.e. signal WDM).

71


Fonction de transfert d’un DMUX

– Technologie à réseau de diffraction (STIMAX de chez HighWave/Jobin-Yvon)

– Espacement conforme au peigne ITU : ∆λ = 100 Ghz @ 1550 nm

Jusqu’à ∆λ = 25 Ghz : Ultra Dense WDM

32 canaux optiques

La figure ci-dessus montre l’architecture d’un démultiplexeur en longueur d’onde àbase de réseau de diffraction, selon une structure en réflexion. L’objectif convergent (double lentille) permet de collimater le faisceau issu de la fibre d’entrée. Le réseau sépare alors angulairement les canaux optiques qui sont refocalisés via l’objectif vers une fibre différente.

La fonction de transfert d’un démultiplexeur à réseau à 32 canaux optiques est illustrée, montrant l’uniformité des pertes d’insertion du dispositif. On mesure également sur la courbe la diaphonie spatiale entre les voies de sortie.

72


Réseau de guide d’ondes ( ArrayedWaveguide Grating)

Caractéristiques d’une structure AWG• Circuit photonique planaire (PLC) en optique intégrée :

silice sur silicium

• Géométrie à « nattes de petite fille »

Fonction de démultiplexeur en longueur d’onde• Chaque longueur d’onde est « focalisée » sur des guides

de sortie donné

nmLLL kk

01 λ=∆=−+

La longueur des guides suit une loi de variation linéaire

λ1,… λ8

Coupleursespace libre

Réseau de guides

d’ondes

La version « intégrée » du démultiplexeur à réseau de diffraction est le réseau de guide d’ondes ou AWG (Arrayed Waveguide Grating).

Le multiplex WDM d’entrée est réparti en N parties égales vers un ensemble de Nguides d’ondes au moyen d’un coupleur optique de 1 vers N. En clair, chaque guide d’onde voit donc en entrée toutes les longueurs d’ondes du multiplex.

La longueur de chaque guide varie de telle façon que des déphasages sont introduits de manière linéaire en fonction de la longueur d’onde. Le phénomène de dispersion chromatique intervient également sur chaque guide.

Globalement, les longueurs d’ondes sont déphasées de manière quadratique en sortie, reformant une onde convergente –donc focalisée- vers les fibres de sortie, via un second coupleur. La fonction ainsi réalisée est un démultiplexage optique. Le composant est réversible et l’on peut l’utiliser en multiplexeur de longueurs d’onde.

L’avantage principal de l’AWG sur le démultiplexeur à réseau de diffraction est sa compacité.

73


λ-routeur à base d’AWG

Principe et implantation d’un λ-routeur

Application : réseau optique passif

La fonction de multiplexeur/démultiplexeur peut être généralisée à N entrées et Nsorties. On aboutit alors au routeur de longueurs d’onde. Chaque canal optique est alors démultiplexé vers les sorties de manière différente selon le port d’entrée.

Cette fonction peut être réalisée grâce à deux structures d’AWG cascadées. On aboutit à une carte de routage périodique.

Ce dispositif est utilisable comme coeur d’aiguillage de canaux optiques dans les réseaux optiques dits « passifs ».

74


Glossaire et bibliographie

Principaux acronymes utilisés

• ASE : Amplified Spontaneous Emission• EDFA : Erbium Doped Fibre amplifier• FBG : Fibre Bragg Grating• MIEO : Multiplexeur à Insertion-Extraction Optique• OADM : Optical Add-Drop Multiplexer• PDL : Polarisation-Dependant Loss• WDM : Wavenlength Division Multiplexing

Pour approfondir• 3.4628 : SIRO R. Sirohi et M. P. Kothiyal, Optical components, systems end measurement

techniques , éd. Marcel Dekker, inc., New York, 1991• 5.25 TOFF : Z. Toffano, Optoélectronique , éd. Ellipses, collection « Technosup », 2002• 5.2542 LAUD : J.P. Laude, Le multiplexage de longueurs d’onde , éd. Masson, collection « Lasers et

optoélectronique », 1992

75


C 6

Les LASER à semiconducteursMineure ELPModule 201

Laurent DupontDépartement d’optique

76


Les MarchLes MarchLes MarchLes Marchéééés des diodes lasers des diodes lasers des diodes lasers des diodes laser

Source: RHK

Laser telecom

CD / DVD

Imprimante

77


Principe du laserPrincipe du laserPrincipe du laserPrincipe du laser

Milieu amplificateur + cavitMilieu amplificateur + cavitMilieu amplificateur + cavitMilieu amplificateur + cavitéééé rrrréééésonnantesonnantesonnantesonnanteMilieu Milieu Milieu Milieu amplificateuramplificateuramplificateuramplificateur

R1R2

Gain :g:g:g:g MiroirMiroirMiroirMiroir

LLLL

LumiLumiLumiLumièèèère re re re éééémise mise mise mise par le laserpar le laserpar le laserpar le laser

Laser Laser Laser Laser àààà diode :diode :diode :diode :

actif

n-DBR

p-DBR

Laser à émission par la surface

Laser à émission par la tranche

Une onde électromagnétique se propage en effectuant des allers et retours entre les deux miroirs (cavité Fabry-Pérot) . Une partie de l’onde passe au travers des miroirs : c’est le rayonnement LASER. Ces « pertes » sont exactement compensées par le gain du milieu amplificateur

Le LASER VCSEL est l’empilement de deux miroirs de Bragg qui confine au centre une zone active constitué de puits quantiques. Le courant de pompe est injecté par une électrode sur la surface supérieure. C’est une structure très compacte et du fait de la faible longueur de la cavité Fabry-Pérot et donc de la zone active, ce LASER à un faible gain et il doit donc avoir une forte réflectivité des miroirs. L’avantage de ce type de LASER est qu’il est potentiellement monomode.

Le LASER à émission par la tranche est la superposition de couches de matériaux semi-conducteurs formant une double hétéro-jonction.

Le courant de pompe est injecté par une électrode sur la surface supérieure

78


CavitCavitCavitCavitéééé Fabry Fabry Fabry Fabry ---- Perot ( 1 )Perot ( 1 )Perot ( 1 )Perot ( 1 )

NnL

NLnL.k

N2

222

2

====⇒⇒⇒⇒

============

λλλλ

ππππλλλλππππφφφφ∆∆∆∆

Distribution des champs Distribution des champs Distribution des champs Distribution des champs EM dans la cavitEM dans la cavitEM dans la cavitEM dans la cavitéééé ::::

Condition de rCondition de rCondition de rCondition de réééésonancesonancesonancesonance

nL2

20λλλλλλλλ∆∆∆∆ ====

λ

I(λ)λλλλ∆∆∆∆

Intervalle spectral libre ISLIntervalle spectral libre ISLIntervalle spectral libre ISLIntervalle spectral libre ISL

L miroirmiroir

Une cavité peut être représentée par une lame d’indice n et d’épaisseur L entourée d’air ( indice 1). Le coefficient de réflexion: R = r 2 et le coefficient de transmission: T = t 2 .

R et T vérifient la relation: R + T = 1.

La condition de résonnance correspond à des interférences constructives pour l’onde qui oscille dans la cavité: le déphasage cumulé sur un aller-retour est égal à 2π. Cette condition vérifiée, il est facile de démontrer que l’intensité lumineuse intra-cavité est très importante

L’onde électromagnétique dans la cavité se décrit comme la superposition d’onde propagative et contra-propagative : onde stationnaire. Ces ondes sont également appelées modes de cavité ou modes résonants.

79


CavitCavitCavitCavitéééé Fabry Fabry Fabry Fabry ---- Perot ( 2 )Perot ( 2 )Perot ( 2 )Perot ( 2 )

I R IN= 20

Pour N allers et retours :Pour N allers et retours :Pour N allers et retours :Pour N allers et retours :

t

I

( ) ( ) ( )( )I t R I R t Itt= = = −

20 0 0

0 2/ exp ln / expτ ττ

====

R1

ln2

0ττττττττ

La longueur de cavitLa longueur de cavitLa longueur de cavitLa longueur de cavitéééé : 1 m: 1 m: 1 m: 1 m, R= 99,9% , R= 99,9% , R= 99,9% , R= 99,9% ⇒⇒⇒⇒ L L L L ≈≈≈≈ 1km1km1km1km ττττ ≈≈≈≈ 3 µµµµssssLa longueur de cavitLa longueur de cavitLa longueur de cavitLa longueur de cavitéééé : 1 mm: 1 mm: 1 mm: 1 mm, R=32% , R=32% , R=32% , R=32% ⇒⇒⇒⇒ L L L L ≈≈≈≈ 1 mm1 mm1 mm1 mm ττττ ≈≈≈≈ 3 ps

DurDurDurDuréééée de vie du photon dans la cavite de vie du photon dans la cavite de vie du photon dans la cavite de vie du photon dans la cavitéééé::::

========

R1

ln

lvL gττττDurée de vie du

photon dans la cavité :

Distance de propagation du photon dans la cavité :

On fixe un plan d’onde et on regarde l’évolution de l’intensité en fonction du temps. A chaque réflexion la lumière perd de l’intensité.

Le temps que va mettre la cavité pour ce vider est typiquement égal à τ

80


Amplification du rayonnementAmplification du rayonnementAmplification du rayonnementAmplification du rayonnement

81


Les interactions matiLes interactions matiLes interactions matiLes interactions matièèèèrererere----rayonnementrayonnementrayonnementrayonnement

Temps

AbsorptionAbsorptionAbsorptionAbsorption

ÉÉÉÉmission mission mission mission spontanspontanspontanspontanééééeeee

ÉÉÉÉmission mission mission mission stimulstimulstimulstimulééééeeee

12 EEE −−−−======== ωωωωhωωωωh====EÉnergie du photon :

Emission spontanée

Un atome excité au niveau E2 a une durée de vie limitée et passe spontanément au niveau E1 en émettant un photon pulsation w

Absorption

C’est le processus inverse de l’émission spontanée: un photon de fréquence n est absorbépar un atome dans le niveau E1 qui passe ainsi au niveau supérieur E2

Emission stimulée

Un photon incident provoque la désexcitation radiative de l’atome passant ainsi à l’état E1. En final il y a deux photons de même énergie et en phase

82


Principe de lPrincipe de lPrincipe de lPrincipe de l’’’’effet lasereffet lasereffet lasereffet laser

1 photon

LLLL’é’é’é’émission stimulmission stimulmission stimulmission stimuléééée doit être plus probable que le doit être plus probable que le doit être plus probable que le doit être plus probable que l’’’’absorption !!absorption !!absorption !!absorption !!Amplification du rayonnement :Amplification du rayonnement :Amplification du rayonnement :Amplification du rayonnement :

PPPPaaaa = Probabilit= Probabilit= Probabilit= Probabilitéééé par unitpar unitpar unitpar unitéééé de temps dde temps dde temps dde temps d’’’’avoir une absorptionavoir une absorptionavoir une absorptionavoir une absorptionPPPPeeee = Probabilit= Probabilit= Probabilit= Probabilitéééé par unitpar unitpar unitpar unitéééé de temps dde temps dde temps dde temps d’’’’avoir une avoir une avoir une avoir une éééémission stimulmission stimulmission stimulmission stimulééééeeee

Le gain: G ∝∝∝∝ Pe-Pa

Ex : Soit un système avec 4 atomes. 3 avec niveaux excités, 1 relaxé + 1 photonAu final il y a plus d’électrons qu’au début : Pour qu’il y ait amplification du rayonnement, il faut que l’émission stimulée soit plus probable que l’absorption !!

83


Diagramme de bande dans les semiDiagramme de bande dans les semiDiagramme de bande dans les semiDiagramme de bande dans les semi----conducteursconducteursconducteursconducteurs

Bande de conduction

Bande de valence

Énergie Énergie

DensitDensitDensitDensitéééé dddd’é’é’é’étatstatstatstats

Continuum de niveaux d’énergie

Le modèle décrit dans les transparents précédents, avec des niveaux d’énergie discret est valable avec des atomes isolés (ex : gaz). Dans le cas des solides, il existe des couplages entre atomes et lorsque le nombre d’atomes est important les niveaux discrets se transforment en ensemble quasi continu de niveaux d’énergie qu’on appelle bande d’énergie. Entre ces bandes d’énergie, il y a des niveaux d’énergie non autorisés : bandes interdites.

Eg désigne la différence d’énergie entre deux bandes.

Tous comme dans le cas des niveaux discrets, l’électron peut effectuer des transitions entre les bandes d’énergie. La bande de conduction est la dernière bande d’énergie à avoir des électrons.

Chaque niveau d’énergie est associé un certain nombre d’états quantiques :C’est la densitéd’états.

84


Distribution des porteursDistribution des porteursDistribution des porteursDistribution des porteurs

Distribution thermodynamique:Distribution thermodynamique:Distribution thermodynamique:Distribution thermodynamique:

Énergie

Probabilité de trouver un électron : P1

Probabilité de trouver un trou : P2

• P1 + P2 = 1P1 + P2 = 1P1 + P2 = 1P1 + P2 = 1

• Niveau de Fermi Niveau de Fermi Niveau de Fermi Niveau de Fermi ≈≈≈≈ au milieu de la bande interditeau milieu de la bande interditeau milieu de la bande interditeau milieu de la bande interdite

EEEEffff : Niveau de : Niveau de : Niveau de : Niveau de Fermi :Fermi :Fermi :Fermi :

P =1/2P =1/2P =1/2P =1/2Bande interditeBande interditeBande interditeBande interdite

Énergie Énergie

T

T

Probabilité de trouver un électron au niveau d’énergie E est donnée par la relation de Fermi-Dirac: Plus l’énergie est élevée plus la probabilité de trouver un électron est faible

85


Principe de lPrincipe de lPrincipe de lPrincipe de l’’’’amplification optique amplification optique amplification optique amplification optique

avec les Semiavec les Semiavec les Semiavec les Semi----conducteursconducteursconducteursconducteurs

Énergie

Niveau de Niveau de Niveau de Niveau de Fermi BV : FFermi BV : FFermi BV : FFermi BV : Fvvvv

Niveau de Niveau de Niveau de Niveau de Fermi BC :FFermi BC :FFermi BC :FFermi BC :Fcccc

Densité d’états

Transition rapide

Trous

BC

BV

Transition lente

électrons

PompePompePompePompe

Inversion de population :Inversion de population :Inversion de population :Inversion de population :Peupler fortement la bande de conduction Peupler fortement la bande de conduction Peupler fortement la bande de conduction Peupler fortement la bande de conduction DDDDéééépeupler fortement la bande de valencepeupler fortement la bande de valencepeupler fortement la bande de valencepeupler fortement la bande de valence

2 pseudo2 pseudo2 pseudo2 pseudo----niveaux de Ferminiveaux de Ferminiveaux de Ferminiveaux de Fermi : probabilit: probabilit: probabilit: probabilitéééé dddd’’’’occupation = occupation = occupation = occupation = ½½½½

SystSystSystSystèèèème hors me hors me hors me hors ééééquilibrequilibrequilibrequilibre

Amplification optiqueAmplification optiqueAmplification optiqueAmplification optique

Cas d’un matériau semiconducteur soumis à une injection de porteurs intense (pompage). Les bandes de conduction et de valence ont alors leur propre distribution statistique avec des pseudo niveaux de Fermi Fc et Fv. Ces deux niveaux correspondent à une probabilité de ½.

Inversion de population :

. Peupler fortement la bande de conduction

. Dépeupler fortement la bande de valence

Si on induit des transitions électroniques entre les pseudo-niveaux de Fermi on se trouve dans une situation d’inversion de population, ce qui autorise l’amplification du rayonnement et donc potentiellement l’effet LASER :

86


Le gainLe gainLe gainLe gain

Fc - Fv > > EgωωωωhCondition pour que le milieu soit amplificateur:Condition pour que le milieu soit amplificateur:Condition pour que le milieu soit amplificateur:Condition pour que le milieu soit amplificateur:

(Loi de BernardLoi de BernardLoi de BernardLoi de Bernard----Duraffourg)Duraffourg)Duraffourg)Duraffourg)

Eg

Gain (U.A)

0

E

12

3

GGGG ==== gggg ((((ωωωω)))) ....( N( N( N( N----NNNN0 0 0 0 ))))

Courbe de gain pour des densitCourbe de gain pour des densitCourbe de gain pour des densitCourbe de gain pour des densitéééés s s s de porteurs croissantesde porteurs croissantesde porteurs croissantesde porteurs croissantes

ωh=EPhoton :Photon :Photon :Photon :

Énergie

FFFFcccc

Densité d’états

FFFFvvvv

∆∆∆∆E = ℏℏℏℏωωωω

Un photon se propage dans le semi-conducteur où l’inversion de population a été réalisée. Cela va provoquer beaucoup plus d’émission stimulée que d’absorption puisque le niveau d’énergie dans la bande de conduction aura un taux de peuplement supérieur à ½ et même chose pour la bande de valence en ce qui concerne les trous. Cela autorise l’amplification du rayonnement

87


Le rayonnement en prLe rayonnement en prLe rayonnement en prLe rayonnement en préééésence de gainsence de gainsence de gainsence de gain

N N N N : photons dans la cavit: photons dans la cavit: photons dans la cavit: photons dans la cavitéééé

V = aV = aV = aV = a2222LLLL : Volume de la cavit: Volume de la cavit: Volume de la cavit: Volume de la cavitéééé

a

a

L

Flux de photons IdzdI αααα====

I : Le flux de photons:Energie passant au travers de lEnergie passant au travers de lEnergie passant au travers de lEnergie passant au travers de l’’’’unitunitunitunitééééde surface et de surface et de surface et de surface et par unitpar unitpar unitpar unitéééé de tempsde tempsde tempsde temps

nc

hVN

nLc

.a

NhI

2νννννννν

========

====VN

Pavec

PdzdP αααα==== P

cn

dtdP αααα====

⇒⇒⇒⇒ ⇒⇒⇒⇒

P :densité de photons

(((( ))))

Gcn

*GavecPGdzdP

PNNgP.GdtdP

* ========

−−−−======== 0

Dans le cas du LASER, un flux de photons se propage selon un seul axe. La longueur de la cavité est L. L’onde passe au travers d’une surface a2. L’intensité de lumière suit la loi dite de Beer –Lambert ,

88


Les structuresLes structuresLes structuresLes structures

89


Structures de laser Structures de laser Structures de laser Structures de laser àààà semisemisemisemi----conducteurconducteurconducteurconducteur

~2µm

IntervalleIntervalleIntervalleIntervalle spectral spectral spectral spectral librelibrelibrelibre

Laser Laser Laser Laser àààà éééémission par la tranche mission par la tranche mission par la tranche mission par la tranche VCSELVCSELVCSELVCSEL

500 µm

ν

ν ν

ν

1RRee 21L2GL2 *

=−αCondition pour l’effet LASER:

La condition pour l’effet LASER

L’émission LASER apparaît lorsqu’une onde stationnaire intra-cavité voit un gain positif : Pour qu’il y ait effet LASER il faut la coïncidence des deux phénomènes :

- Modes de cavité

- Gain positif

R1 et R2 sont les coefficients de réflexion des miroirs du LASER

α : Le coefficient des pertes linéiques de la cavité et G, le gain.

Pour qu’il y ait effet LASER il faut qu’un régime stationnaire s’installe dans le LASER, c’est àdire, qu’après un aller et retour, l’intensité de l’onde reste identique. On obtient la condition pour l’effet LASER

90


Puissance dPuissance dPuissance dPuissance d’é’é’é’émission du lasermission du lasermission du lasermission du laser

En statique :

CaractCaractCaractCaractééééristique du laser en ristique du laser en ristique du laser en ristique du laser en fonction de la tempfonction de la tempfonction de la tempfonction de la tempéééérature :rature :rature :rature :

Intensité du pompage

I Laser laserSaturation

Niveau de Fermi BV : FNiveau de Fermi BV : FNiveau de Fermi BV : FNiveau de Fermi BV : Fvvvv

Niveau de Fermi BC: Niveau de Fermi BC: Niveau de Fermi BC: Niveau de Fermi BC: FFFFcccc

DensitDensitDensitDensitéééé dddd’é’é’é’étatstatstatstats

0 1

Énergie

E2

E1

Puissance d’émission du laser et modulation directe

En fonction de l’intensité de pompage, il existe plusieurs régimes :

Pour les faibles intensités intracavité, c’est l’émission spontanée qui est prépondérante.

Pour les fortes intensités, c’est l’émission stimulée, cela favorise le rayonnement cohérent : c’est l’effet LASER.

Pour les très fortes intensités, le milieu ne peut plus amplifier un tel flux de lumière : le gain diminue : c’est la saturation

La caractéristiques du LASER dépendent fortement de la température.

91


Dynamique des lasers S.C.Dynamique des lasers S.C.Dynamique des lasers S.C.Dynamique des lasers S.C.

4 x 50 Å In0.3Ga0.7As QW laser

Modulation harmonique de faible amplitude du courrantModulation harmonique de faible amplitude du courrantModulation harmonique de faible amplitude du courrantModulation harmonique de faible amplitude du courrant

( )

( )n

N

p

PPNNg

dtdP

PNNgn

NeVI

dtdN

s0

0

τβ

τ

τ

+−−=

−−−=

N : densité de porteursP: densité de photons dans la cavitéI : courant injecté dans la cavitéτp: durée de vie des photons dans la cavitéτn :constante de temps de l'émission spontanéeN0 : densité de porteurs à la transparenceβs : coefficient de couplage à la cavité

Equations d’évolution:

92


Laser semiLaser semiLaser semiLaser semi----conducteur conducteur conducteur conducteur àààà double hdouble hdouble hdouble hééééttttéééérojonctionrojonctionrojonctionrojonction

p n

Bande interdite

Trous

Électrons

p n

Bande interdite

Trous

Électrons

Double hétérojonction avec structure à puits quantiques:

Avantages des puits quantiques:Avantages des puits quantiques:Avantages des puits quantiques:Avantages des puits quantiques:

•Forte densitForte densitForte densitForte densitéééé de porteurde porteurde porteurde porteur

•Largeur spectrale de gain Largeur spectrale de gain Largeur spectrale de gain Largeur spectrale de gain éééétroitetroitetroitetroite

Bon confinement Bon confinement Bon confinement Bon confinement des porteursdes porteursdes porteursdes porteurs

L’objectif des hétérojonction est de favoriser l’interaction matière rayonnement. Il faut pour cela concentrer à la fois les porteurs et les photons. Concernant les porteurs une des solutions retenus est de créer une double hétérojonction 2 sections de matériau A dopé n et p assemblé avec au centre un 2ième matériau semiconducteur B mais de bande interdite plus faible. En injectant des électrons côté n et des trous côté p (injection directe) on favorise la concentration des porteurs et donc les recombinaisons radiatives.

Pour augmenter la densité de porteurs et réduire la largeur spectrale de gain, on utilise des puits quantiques qui sont des nano-structures de matériaux semi-conducteurs de différentes bandes interdites.

93


Les matLes matLes matLes matéééériaux et technologiesriaux et technologiesriaux et technologiesriaux et technologies

Al[GaAs] (λ=0.81-0.87 µm)

InGaAsP (λ=1-1.65 µm)

Confinement Confinement Confinement Confinement optiqueoptiqueoptiqueoptique

Substrat

Isolant Isolant Isolant Isolant éééélectriquelectriquelectriquelectrique

Zone active

Injection de Injection de Injection de Injection de porteursporteursporteursporteurs

Les matLes matLes matLes matéééériaux :riaux :riaux :riaux :

94


Process de fabricationProcess de fabricationProcess de fabricationProcess de fabrication

1.1.1.1. Mise en boMise en boMise en boMise en boîîîîtiertiertiertier

2.2.2.2. TestTestTestTest

•PhotolithographiePhotolithographiePhotolithographiePhotolithographie

•ÉÉÉÉpitaxiepitaxiepitaxiepitaxie

5 étapes fondamentales dans l’élaboration du LASER

Épitaxie : dépose des différentes couches de semi-conducteurs

Photolithographie : Réalisation des puces par masquage et gravure

Découpe des puces : sciage ou clivage

Mise en boîtier : puce mise sur embase et conectorisée

Test : test électrique, test en émission, test de vieillissement

95


PackagingPackagingPackagingPackaging




Driver

La puce est posée sur une embase (circuit hyper-fréquence) qui permet de moduler le courant de pompe à haute fréquence. Cette embase est posée sur une cellule Pelletier qui permet de réguler en température le LASER. Le LASER est couplé à une fibre optique via une lentille relais. La lumière émise par l’autre face du LASER est couplée à une photodiode qui mesure l’intensité émise, ce qui permet de faire un « monitoring » du système.

96


Les diodes lasers spLes diodes lasers spLes diodes lasers spLes diodes lasers spéééécifiquescifiquescifiquescifiques

97


Les diffLes diffLes diffLes difféééérents types de lasers rents types de lasers rents types de lasers rents types de lasers àààà S.C.S.C.S.C.S.C.

I1 I2 I3

Laser Fabry-Pérot :

Laser Double Bragg Reflector:

Laser Distributed Feedback Reflector

Laser Fabry-Pérot :

Structure de base : cavité Fabry-Perot constituée d’une double hétérojonction clivée.

Laser Double Bragg Reflector: DBR

Structure de type Fabry-Pérot mais avec un miroir de Bragg au lieu d’une face clivée. Trois courant peuvent être utilisé dans trois zone différentes : zone de gain pour alimenter le LASER (I3) , zone de phase et zone de Bragg (resp. I2, I1) pour modifier la longueur d’onde.

Laser Distributed Feedback Reflector DFB

Laser constitué par une double hétéro-jonction et avec un filtre de Bragg sur toute la longueur.

98


1.1.1.1. Laser FabryLaser FabryLaser FabryLaser Fabry----PPPPéééérotrotrotrot

λλλλ1.651.61.551.51.451.4

10.

1.

0.1

0.01

0.001

I

Émission spontanée

Modes de CavitéFacette clivée

Guide optique

Structure:Structure:Structure:Structure:Spectre dSpectre dSpectre dSpectre d’é’é’é’émission :mission :mission :mission :

Hétérojonction + Puits quantiques

AvantagesAvantagesAvantagesAvantages InconvInconvInconvInconvéééénientsnientsnientsnients

Technologie simple.

Multi-modes :1) Incompatibilité avec le WDM2) Forte dispersion chromatique

Le principal problème de ces LASER est l’émission multimodale. L’encombrement spectral de ces sources fait que le signal possède lui-même au moins la même largeur spectrale, ce qui le rend difficilement compatible avec les transmissions haut débit lorsqu’il y a de la dispersion chromatique.

99


2. Lasers DBR2. Lasers DBR2. Lasers DBR2. Lasers DBR

Gain Phase Bragg

Bragg Gain Bragg

Gain Bragg

Filtre de Bragg:Filtre de Bragg:Filtre de Bragg:Filtre de Bragg:

Filtrage des modes FP Filtrage des modes FP Filtrage des modes FP Filtrage des modes FP ⇒⇒⇒⇒Fonctionnement monomode Fonctionnement monomode Fonctionnement monomode Fonctionnement monomode + + + + AccordabilitAccordabilitAccordabilitAccordabilitéééé

1

0.8

0.6

0.4

0.2

Structures DBR:Structures DBR:Structures DBR:Structures DBR:

Accordabilité 10 nm

Puissance optique 10 - 100 mW

Largeur spectrale 10 -2, 10-3 Å

Courant seuil 10 mA

Le principe du LASER DBR est de remplacer un miroir de cavité Fabry-Pérot par un miroir très sélectif en longueur d’onde. On sait que l’effet LASER apparaît s’il y a coïncidence entre les modes Fabry-Pérot et un gain positif. Si en plus, on met un miroir très sélectif en longueur d’onde, un seul mode va être réfléchi, les autres modes sortent très vite de la cavité, si bien que la condition pour qu’il y ait l’effet LASER n’est pas vérifiée.

100


Miroir de BraggMiroir de BraggMiroir de BraggMiroir de Bragg

z∆n

PPPPéééériode du rriode du rriode du rriode du rééééseau dseau dseau dseau d’’’’indiceindiceindiceindice : Λ Λ Λ Λ Indice moyen du rIndice moyen du rIndice moyen du rIndice moyen du rééééseau : nseau : nseau : nseau : n0000

Condition de rCondition de rCondition de rCondition de rééééflexion du rflexion du rflexion du rflexion du rééééseau seau seau seau

de Bragg : de Bragg : de Bragg : de Bragg : λλλλΒΒΒΒ = 2n= 2n= 2n= 2n0000ΛΛΛΛ

1

R( R( R( R( λ )λ )λ )λ )

λλλλΒΒΒΒ λλλλ

Injection de porteur dans le miroir de Bragg

Modification de n0

Modification de λλλλΒΒΒΒ!!!!!!!!!!!!

Condition de réflexion du réseau de Bragg : λB = 2n0L

Modifier les caractéristiques du miroir de Bragg:

Injection de porteurs dans le miroir de Bragg entraîne une modification d’indice, ce qui entraîne une modification de la longueur d’onde de Bragg.

101


AccordabilitAccordabilitAccordabilitAccordabilitéééé des lasers DBRdes lasers DBRdes lasers DBRdes lasers DBR

ModulationModulationModulationModulation : Zone de phase: Zone de phase: Zone de phase: Zone de phase1

ModulationModulationModulationModulation : Zone de Bragg: Zone de Bragg: Zone de Bragg: Zone de Bragg

Accordabilité de la zone de Bragg

Accordabilité de la zone de phase

Longueur d’onde d’émission

Courants : I

1 1

λ

En superposant les caractéristiques spectrales du miroir de Bragg aux modes de cavitéFabry-Pérot, on voit que le changement de longueur d’onde de Bragg permet de sauter d’un mode à l’autre et donc de modifier les conditions d’émission du LASER DBR.

Modifier les caractéristiques de la zone de phase

En injectant des porteurs dans la zone de phase, on modifie également l’indice du semi-conducteur est donc les valeurs des longueurs d’onde des modes Fabry-Pérot sont modifiés.

En combinant l’accordabilité de la zone de Bragg et de phase, on obtient une accordabilitécontinue du LASER DBR

102


3. Laser DFB3. Laser DFB3. Laser DFB3. Laser DFB

2 0 1 0 0 -1 0 -2 0 0

ω − ω Β

Structure du Laser DFB Spectre d’émission du laser DFB

Saut de phaseSaut de phaseSaut de phaseSaut de phase

dans le rdans le rdans le rdans le rééééseauseauseauseau Accordabilité 2 nm

Puissance optique 10 - 100 mW Largeur spectrale 10-3 - 10-4 Å Courant seuil 10 mA

CaractCaractCaractCaractééééristiques des lasers DFBristiques des lasers DFBristiques des lasers DFBristiques des lasers DFB

Dans le cas du LASER DFB, l’onde incidente est partiellement réfléchie tout le long du réseau d’indice situé sur le LASER. La Contre-réaction optique n’est plus localisée sur les faces de la cavité.

Ce réseau de Bragg peut être vue spectralement comme une bande interdite photonique. Pour qu’il y ait effet LASER, il faut que les ondes soient réfléchies (contre-réaction) mais qu’elles puissent quand même se propager dans le LASER pour être amplifiées. Ce n’est donc pas la longueur d’onde de Bragg qui va être émise (elle est totalement expulsée du Bragg), mais deux longueurs d’onde en bord de bande interdite.

103


4. 4. 4. 4. SSSSampled ampled ampled ampled GGGGrating rating rating rating DBRDBRDBRDBR

igeff

Bragg Lkn

2 ππππΛΛΛΛππππ

λλλλππππ ++++====

Condition de Bragg sur un SGBR:Condition de Bragg sur un SGBR:Condition de Bragg sur un SGBR:Condition de Bragg sur un SGBR:

R

Bragg2λλλλeffn2 Lg

R

coïncidence

Le mode qui va laser correspond Le mode qui va laser correspond Le mode qui va laser correspond Le mode qui va laser correspond àààà la cola cola cola coïïïïncidence de 2 ncidence de 2 ncidence de 2 ncidence de 2 pics de rpics de rpics de rpics de rééééflexion pour les 2 miroirs:flexion pour les 2 miroirs:flexion pour les 2 miroirs:flexion pour les 2 miroirs:

Λ

Lg

∆ne

∆neZ

coïncidence

Effet « vernier »

104


C7Les photodiodes(pour les télécoms)

[email protected]

105


Sommaire

Les photodiodes dans les systèmes de transmission

Principe de la photodétection par jonction semi-con ductrice

Les photodiodes PIN

Les photodiodes à avalanche

De la photodiode au récepteur

106


Synoptique d’une liaison par fibre optiqueD

omai

ne é

lect

rique

Dom

aine

op

tique

InterfaceElectrique

Circuitde

commande

E/O O/E

InterfaceElectrique

Circuitde

réception

Fibre optique

Composants optoélectroniques

d’extrémité

Signal électriqueau format normaliséG.703, IEEE802.3,…

Cartes d’interfaceÉmission/réception

Les photodiodes font partie de la famille des composants optoélectroniques. Comme leur nom l’indique, ils fonctionnent en exploitant les interactions entre la lumière et les électrons externes des atomes de la matière. Réalisés à base de matériaux semi-conducteurs, leur faible encombrement, leur compacité, leur potentiel d’intégration en font les composants incontournables de la conversion électrique-optique et optique-électrique des systèmes de transmission sur fibre optique ou en espace libre (systèmes FSO: Free Space Optics).

107


Les jonctions P-N: des transducteurs opto-électroniques

DEL ou diode laser

+

-

PIN ou APD

I Iph

+

-

Fibre optique

Les jonctions semi-conductrices sont utilisées pour émettre ou recevoir de la lumière.

Pour émettre de la lumière, on fait passer du courant dans une diode électro-luminescente ou une diode laser polarisées en direct. La structure et le matériau de la diode déterminent la nature spectrale de la lumière émise.

A la réception, la lumière reçue illumine une photodiode polarisée en inverse. Un courant dit photocourant traverse alors la photodiode.

108


Sommaire



Les photodiodes PIN



109


Bande d’énergie interdite d’un cristal semi-conducteur

Énergie d’un électron externe d’un atome du cristal

Eg

p

hélectron =λ

D’après Einstein, Planck et de Broglie :

Bande interdite

Bande de valence électron lié

Bande de conduction électron libre

cristald

d≈λ

Onde évanescente

La physique de semi-conducteurs fait essentiellement appel à la physique du solide et à la mécanique quantique. L’introduction rigoureuse de la théorie des bandes nécessiterait un cours complet (et complexe) qui dépasse largement le cadre de ce cours. Aussi nous ne retiendrons que le strict nécessaire à l’explication des phénomènes fondamentaux de l’électroluminescence et de la photoélectricité.

Dans un solide, les niveaux d ’énergie que peuvent prendre les électrons des atomes sont regroupés sur des intervalles donnés. On parle donc de bandes d’énergie qui correspondent à des états lié ou libre de l’électron. On appelle bande de valence l’ensemble des niveaux d’énergie (bas) pour lesquels l’électron est prisonnier d’une orbitale d’atome du cristal: l’électron est lié. On appelle bande de conduction l’ensemble des niveaux d’énergie suffisante pour que l’électron circule dans le cristal: l’électron est libre.

A température nulle donc hors agitation thermique, on distingue trois cas :

Premier cas: la bande de conduction est vide et le gap est important. Aucun électron ne peut circuler dans le cristal: nous avons affaire à un isolant, même à chaud.

Deuxième cas: la bande de conduction est partiellement remplie. Des électrons peuvent circuler dans le cristal: nous avons affaire à un conducteur.

Troisième cas: la bande de conduction est vide mais le gap est faible : nous sommes dans le cas intermédiaire d’un cristal isolant à température nulle mais qui si on le chauffe verra sa bande de conduction se remplir partiellement par agitation thermique. Il devient alors conducteur. Nous avons affaire à un semi-conducteur, intermédiaire entre un isolant et un conducteur. Plus la température augmente, plus la conductivité devient forte. Les composants à base de semi-conducteurs fonctionnent donc dans une plage de température bien définie (ni trop froid, ni trop chaud). Par exemple, la plage de température d’utilisation des composants aux normes militaires va de -80 °C à +125°C.

110


Émission de lumière dans les semi-conducteurs

µmeneVEE

ch

ggc )(

24,1=⋅=λLongueur d’onde de radiation maximale :

vc EEEh g −==ν

Bande de conduction

Bande de valence

Énergie

Eg

Ec

Ev

Application aux diodes électro-luminescentes (DEL) et diodes laser.

L’émission de lumière est le résultat de la recombinaison radiatives des électrons et des trous dans le matériau. Les atomes récupèrent leurs électrons, la différence d’énergie est émise sous forme de photon: c’est le phénomène d’électro-luminescence.

111


Absorption de lumière dans les semi-conducteurs

Effet photo-électrique

gg

chhEEE

λνφ ==−> vc

Bande de conduction

Bande de valence

Énergie

Eg

Ec

Evhν

absorption

hνg

Herr Hertz, 1887

Absorption du photon si

L’absorption de lumière dans le matériau correspond au transfert d’énergie des photons incidents aux électrons de la bande de valence qui passent dans la bande de conduction si l’énergie du photon est suffisante: c’est l’effet photo-électrique. Cet effet a découvert par le physicien Heinrich Hertz en 1887.

Ainsi les photons incidents ne sont pas absorbés si leur énergie est inférieure àl’énergie de gap; le matériau est transparent. Inversement, si leur énergie est supérieure ou égale à l’énergie de gap, ils sont absorbés et le matériau est alors opaque.

112


Coefficient d’absorption de qqes matériaux

[ ]1−mα

[ ]eVphε

[ ]mµλ

[ ]mµα/1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,5 510

10

10

10

10

10

10

10

1 2

2.48 1.24 0.62 0.25

100

10

1

0.1Si

InP

2

3

4

5

6

7

8

9

0,5 510

10

10

10

10

10

10

10

1 2

2.48 1.24 0.62 0.25

100

10

1

0.1

GaAs

0.85 µm

GeInGaAs

1.55 µm

1.3 µm

λc coupure( ) ( )eV

24.1µm

ggc EE

hc ==λ

En dessous de la fréquence optique de coupure, l’absorption chute brutalement. Au contraire, au dessus de la fréquence de coupure pour des photons ayant une énergie excédant l’énergie de gap, le coefficient d’absorption croît de manière quasi régulière.

113


Fenêtres de transmission des fibres en silice

3ème fenêtre1,5 µm

1ère fenêtre0,85 µm

2ème fenêtre1,3 µm

code bande O E S C L Ubande passante (nm) 1260 - 1360 1360 - 1460 1460 - 153 0 1530 - 1560 1565 - 1625 1625 - 1675

Les fenêtres de transmission de la fibre optique en silice sont au nombre de trois. Leur utilisation au fil du temps suit l’augmentation de la longueur d’onde. La première fenêtre, la plus ancienne donc, est celle du proche infrarouge autour de 0,85 µm. Elle est utilisée pour la transmission sur les premières fibres optiques silices multimode àla fin des années 60. Les composants semi-conducteurs utilisés sont à base de silicium et d’arséniure de gallium. Pour les deuxième et troisième fenêtres dans l’infrarouge moyen correspondant au minimum d’atténuation de la fibre, on utilise des composants III-V à base de phosphure d’indium.

114


0,85 µm

1,5 µm

1,3 µm

Largeur de bande interdite de quelques matériaux

1,43 à 0,36directGaxIn1-xAs yP1-yComposésIII-V

quaternaires

1,43 à 0,361,43 à 2,13

directdirect ou indirect

GaxIn1-xAsGaxAl1-xAs

ComposésIII-V

ternaires

2,241,431,290,35

indirectdirectdirectdirect

GaPGaAsInP

InAs

ComposésIII-V

binaires

1,120,72

indirectSiGe

ElémentIV

Largeur de bande E c-Ev

(eV @ 300°K)

Type de bande

Matériau semi-conducteur

Position dans la table des éléments

chimiques

Ce tableau rassemble les propriétés des composés semi-conducteurs les plus utilisés en télécommunications sur fibre optique. Les composants pour les fenêtres 1,3 et 1,5 µm nécessitent des composés plus complexes ternaires ou quaternaires. En ajustant les proportions des différents éléments, il est possible de régler finement les propriétés optiques des matériaux.

115


La jonction P-N non polarisée

Atome donneur d’électron

Atome accepteur d’électron

neutre + - neutre

ZCE : Zone de charge d’espace ou de déplétionc’est à dire vide de charges

mobiles

Anode

Zone dopée P

Cathode

Zone dopée N

e-

ZCE

E

La zone N est dopée en atomes donneurs d’électrons. Les charges mobiles sont donc des électrons.

La zone P est dopée en atomes accepteurs d’électrons. Ces atomes vont capter des électrons des atomes environnants, Les charges mobiles sont alors les lacunes en électron des atomes du cristal, appelées trous. Les trous se comportent en fait comme des particules fictives.

Près de la frontière entre les deux zones, les atomes accepteurs vont capter de manière permanente les électrons des atomes donneurs (et inversement on peut considérer que les atomes accepteurs donnent un trou en échange) : c’est le phénomène de diffusion. Il se crée ainsi deux zones qui ne sont plus électriquement neutres (la zone N se charge positivement et la zone P négativement) et une barrière de potentiel se forme qui s’oppose à la diffusion. A l’équilibre, il existe un champ et donc une barrière de potentiel interne à la jonction (justement appelée potentiel de jonction), dont la valeur dépend des matériaux et de leur dopage. La zone proche de la jonction est appelée zone de charge d’espace (ZCE) ou de déplétion car sans charges mobiles.

116


La photopile et l’effet photovoltaïque

P

N

Iph

hνννν

neutre + -- neutreZCE

hνννν

V0

N P

(quelques dixièmes de V)

RL

L’effet photovoltaïque, c’est à dire la conversion de la lumière en électricité, est un phénomène connu depuis le XIXème siècle. Il a en effet été découvert en 1839 par Antoine Becquerel, grand-père du découvreur de la radioactivité. Cependant, il aura fallu un siècle et la maîtrise des semi-conducteurs pour en voir les premières applications.

L’existence d’une barrière de potentiel dans une photodiode non-polarisée permet de détecter la lumière. Si on éclaire la zone de charge d’espace avec un rayonnement de longueur d’onde suffisamment courte, les paires électron-trous créées vont être séparées par le champ électrique interne et repoussées dans les zones neutres ou le champ est nul: les électrons vont s’accumuler dans la zone N et les trous dans la zone P. La diode se transforme ainsi en pile où la zone P est le pôle positif et la zone N le pôle négatif. Si on charge la diode par une résistance, un courant circule tant que l’on éclaire la zone de charge d’espace de la diode.

En l’absence de polarisation, on peut donc produire du courant électrique grâce à la lumière reçue. En général, les photopiles sont fabriquées avec du silicium. Le rendement de « conversion » des photons en paires électrons-trous est de 15 à 20% environ. Ce mode de détection de la lumière avec une jonction non polarisée est appelée régime photovoltaïque. Les panneaux du même nom fonctionnent suivant ce régime.

La recherche de meilleurs rendements par l’utilisation de matériaux nouveaux est un champ de recherche particulièrement en vogue avec le renchérissement des combustibles fossiles et la crise de l’énergie.

117


Cellule photovoltaïque : caractéristique I=f(V)

Source : Panasonic solar cells handbook

Circuit de testV

I

Grâce à la barrière de potentiel interne à la jonction (égale à Vco : tension en circuit ouvert), la photodiode se comporte comme un générateur de courant lorsqu’elle est éclairée. Le courant décroît jusqu‘à zéro pour une tension aux bornes de la photodiode égale à Vco.

118


La jonction PN polarisée en inverse

e-

h+

Er

P N

e.V

Zone de déplétion

e-

h+ R

+

- V

Vp Iphp

n

L’absorption d’un photon dans un matériau semi-conducteur crée une paire électron-trou si l’énergie du photon est supérieure à la largeur de la bande interdite Eg.

hv>Eg

Pour éviter la recombinaison de cette paire électron-trou, il faut que le photon soit absorbé dans une zone vide de porteurs mobiles , par exemple la zone déplétée(zone de charge d’espace) d’une jonction P-N.

Pour recueillir ces porteurs sous forme de photocourant, il faut les séparer par un champ électrique fort. On polarise donc la jonction en inverse.

119


Caractéristique I=f(V) de la photodiode

Photo-courant

V

I

Tension inverse Tension directe

avecillumination

tension Zener

sansillumination

Sans éclairement, la photodiode présente la caractéristique I=f(V) classique d’une diode. Quand elle est éclairée, la caractéristique est décalée vers le bas de la valeur du photocourant.

120


Le rendement quantique

Le rendement quantique interne du semi-conducteur :

Le rendement quantique externe du composant :

C’est le rendement quantique externe qui est utile (et accessible) àl’utilisateur.

matériauleparabsorbésphotonsdenombre

crééestrouélectronpairesdenombre −=intη

incidentsphotonsdenombre

crééestrouélectronpairesdenombreext

−=η

Le rendement quantique est le paramètre fondamental. On distingue le rendement quantique interne caractéristique du matériau massif et le rendement quantique externe qui est le rendement global du dispositif de réception complet et qui prend en compte la géométrie du composant, son optique de couplage et les pertes diverses.

121


νη

h

P

e

I oext=

Nb d’électrons par seconde du photocourant

Nb de photons arrivant sur la photodiode par seconde

Relation entre puissance optique reçue et photocourant

Un flux lumineux de puissance moyenne P 0 à la longueur d’onde λλλλ correspond à P0/hνννν photons par seconde.

Si la probabilité de création d’une paire électron-t rou contribuant au photocourant est ηηηηext, on récolte ηηηηextP0/ hνννν électrons par seconde.

00 PSPh

eI ext ⋅=⋅=

νη

⇒⇒⇒⇒

S : sensibilité (en anglais responsivity R ) de la photodiode en A/W

La relation entre la puissance optique d’éclairement de la photodiode et le photocourant correspondant est particulièrement simple dans le cas d’une lumière monochromatique pour laquelle tous les photons transportent la même énergie. Le processus d’absorption s’effectuant au niveau quantique, on peut considérer la lumière comme un flux de photons engendrant un flux équivalent d’électrons dans la jonction, au rendement quantique près. Il y a donc proportionnalité entre photocourant et puissance optique reçue sur la jonction.

122


Sensibilités typiques en régime photoconductif en fonction de λ λ λ λ pour différents matériaux

Chaque matériau semi-conducteur présente sa propre fenêtre de sensibilité. Le silicium est idéal pour le visible proche et le proche infrarouge autour de 800 nm, les composés ternaires et quaternaires pour l’infrarouge moyen. Le silicium, sous des formes cristallines diverses (polycristallin, monocristallin ou amorphe), est le matériau utilisé pour les cellules photovoltaïque.

123


Sommaire



Les photodiodes PIN



124


Zoned’absorption

Structure « mesa » à éclairement par le dessus

P

I

N

Photons

Substrat N

Zone P

Couche anti-reflet

Rc

Vp

Contact ohmique

Contactohmique

Er

Photographie : Lightwave

Mesa géologique

Mesa optoélectronique

La structure classique d’une photodiode PIN est appelée structure « mesa » qui signifie table ou plateau en espagnol. En géomorphologie, le mesa désigne une élévation de terre ou un plateau entouré de coteaux ou falaises abruptes. Effectivement, la photodiode mesa est construite en élévation par rapport à un substrat de base cristal semi-conducteur dopé N. sur celui-ci, on fait croître verticalement par épitaxie une couche de cristal semi-conducteur non dopé(Intrinsèque) puis une couche dopée P. Pour réaliser les électrodes, on dépose une couche d’or (en général) sur la face inférieure de la zone N et sur la face supérieure de la zone P. Le contact métal semi-conducteur est appelé contact ohmique car il se comporte comme une résistance très faible. Il faut prévoir un « hublot » d’éclairement de la photodiode par le dessus. Pour maximiser la lumière transmise à l’intérieur du cristal, une couche antireflet est déposée sur la couche dopée P.

125


La photodiode PIN

anode cathode

Couche anti-reflet

x0 xp xn

P I N

W

Contacts ohmiques

L’insertion entre les zones P et N d’une large zone intrinsèque « I » vide de porteurs mobiles permet d’améliorer le rendement en maximisant la puissance lumineuse absorbée.Pour ce faire, il faut:

- une couche anti-reflet sur la puce.- une zone P mince et une zone N peu absorbante.- une zone I suffisamment large (mais pas trop car le temps de

transit augmente et avec lui le temps de réponse de la photodiode).compromis rendement–bande passante

126


La puissance lumineuse décroît exponentiellement da ns le composant en, fonction de la profondeur de pénétration du rayonne ment:

Où αααα est le coefficient d’absorption

Absorption du rayonnement dans le composant

xp xn

Pabs

)Xexp()R1(P)X(P 0 α−⋅−=

0

P I N

P(x)

P0(1-R)

W

La puissance optique dans le matériau constitutif de la diode décroît de manière exponentielle. Il s’agit d’absorber le maximum de rayonnement dans la zone I la plus propice à la création de paires électron-trou qui ne se recombinent pas immédiatement.

127


Rendement quantique externe d’une photodiode PIN

Pour la structure de diode PIN mesa, le rendement q uantique externe a pour expression:

Avecαααα : coefficient d’absorption de la lumière dans la di odeW : largeur (ou hauteur) de la zone IR : coefficient de réflexion de la couche anti-refl et

On en déduit la sensibilité :

))exp(1()1(int WRext αηη −−⋅−=

( ) ( )hc

eR1)Wexp(1)(S int

λαηλ −−−⋅=

Le rendement quantique externe d’une photodiode est évidemment inférieur au rendement quantique interne du matériau utilisé. Le rendement quantique interne est diminué par deux facteurs :

1) les pertes optiques à la pénétration dans le matériau. Il s’agit de maximiser la puissance transmise à l’intérieur du cristal. Compte tenu de la différence d’indice entre l’extérieur (air le plus souvent) et l’intérieur (matériau semi-conducteur), un traitement anti-reflet de la face d’entrée de la diode d’impose. Les matériaux semi-conducteurs utilisé ont un indice optique de l’ordre de 3,5 ce qui conduit un coefficient de réflexion en puissance de 30% du dioptre air/matériau !!

2) les pertes à l’absorption du rayonnement optique. En effet, du fait de la structure de la diode, le flux optique qui a pénétré dans la jonction n’est pas nécessairement absorbé en intégralité. La structure de la diode est donc fondamentale dans le rendement externe.

128


Photodiode éclairée par le côté

Avantages: meilleur rendement à largeur de zone I id entique, moins de pertes.Inconvénient: couplage fibre-photodiode plus délica t.

Photons Rc

Vp

Contact ohmique

Contact ohmique

P

I

NΦΦΦΦ

Couche réfléchissante

Couche anti-reflet

On peut à la fois obtenir un bon rendement et une grande bande passante en éclairant directement la zone I par le côté. On découple alors les problèmes de rendement liés à la longueur du trajet optique dans le matériau du problème de la bande passante lié à la longueur du trajet des porteurs de charge. En contrepartie, le couplage de la lumière est plus délicat.

Au lieu d’éclairer la photodiode mesa par le haut, on éclaire directement zone I par le côté. La lumière effectue un trajet égal à la largeur de la diode. Si la face opposée est recouverte par une couche réfléchissante, on double ainsi le trajet dans le matériau. La puissance absorbée est donc plus importante que si la lumière arrivait par le haut et traversait la zone I dans le sens vertical. Le temps de transit des porteurs demeure lié à l’épaisseur de la zone I.

129


Rc

Vp

Er

Photodiode guide optique

PhotonsΦΦΦΦ P

IN

Couche réfléchissanteContact ohmiqueCouche anti-reflet

La photodiode guide est l’ultime amélioration de la photodiode avec éclairement par le côté. Le couplage avec la fibre est optimisé de manière à maximiser la puissance transmise et donc le rendement. La courbe de rendement quantique en fonction de la fréquence montre une performance bien meilleure.

130


Le courant d’obscurité

En l’absence d’éclairement, la photodiode polarisée en inverse est parcourue par un courant de faible intensité dit cou rant d’obscurité.

Ce courant est la somme de plusieurs courants dont :• un courant de surface liés aux charges piégées aux interfaces métal/semi-

conducteur.• un courant de volume dû aux charges liées aux impuretés du matériau.

• un courant de conduction par effet tunnel quand la tension inverse est élevéet l’énergie de bande interdite faible.

Le courant d’obscurité dépend beaucoup de la tempéra ture

Le courant d’obscurité est le courant de fuite de la diode lorsqu’elle est polarisée. Ce courant est dû à différentes imperfections de la diode. De ce fait, il a été peu à peu réduit au fur et à mesure des progrès technologiques.

Pour les photodiodes « télécom » actuelles, le courant d’obscurité est de l’ordre du nA et peut ainsi être négligé, ce qui n’était pas toujours le cas par le passé. Le courant d’obscurité est un courant continu qui se superpose au photocourant. Il estsource de bruit de grenaille et croît avec la température.

131


Schéma électrique équivalent d’une photodiode PIN

La photodiode polarisée en inverse se comporte comm e un générateur de courant lorsqu’elle est éclairée .

Vpolar

Rcharge V0

Popt

⇔⇔⇔⇔ Rcharge

Cj

Rsh

Iph=S.Popt

Cboîtier

Rsérie

V0

Le schéma électrique équivalent d’une photodiode éclairée est simplement celui d’une diode auquel on rajoute un générateur de courant en parallèle. En première approche, on a donc un générateur de courant (le courant suit la puissance optique reçue) qui débite sur un circuit RC parallèle.

132


Exemple : photodiode PIN InGaAs Fujitsu

Source: documentation en ligne Fujitsuwww.fujitsu.com

A titre d‘exemple, voici la fiche technique (data sheet) d’une photodiode PIN pour transmission à 2,5 Gbit/s sur fibre optique monomode. A base de InGaAs (composésemi-conducteur ternaire), elle est conçue pour fonctionner dans les deuxième et troisième fenêtres de transmission. La sensibilité en A/W est légèrement différente suivant la fenêtre, du fait de la différence d’énergie du photon entre 1,3 et 1,5 µm. En effet, à puissance identique, un flux optique à 1,55 µm contient plus de photons qu’un flux à 1,3µm. Sa détection engendrera donc un courant supérieur.

133


Rendement quantique: diode PIN InGaAsFujitsu

Rendement quantique ≈≈≈≈ 80% à 1,3 µmhc

eS ⋅⋅= λληλ )()(On a


La distinction entre rendement quantique et sensibilité est illustrée par ces deux graphiques.

En théorie, la sensibilité est proportionnelle à la longueur d’onde à rendement quantique constant. En réalité, on constate une car le rendement quantique baisse légèrement entre les deux fenêtres 1,3 et 1,5 µm.

134


Courant d’obscurité de la photodiode PIN Fujitsu


Figure 1

Figure 2

Pour illustrer le transparent précédent, voici les courbes représentant d’une part le courant d’obscurité en fonction de la tension de polarisation pour différentes températures (figure 1) et celle représentant le courant d’obscurité en fonction de la température. Le courant d’obscurité augmente avec la tension inverse de polarisation d’environ un facteur 10 quand on passe de 0 à 20V. Il augmente d’un facteur 1000 quand on passe de -40 à +80 °C, c’est-à-dire qu’il p asse du pA au nA, ce qui demeure très faible en absolu.

135


Photodiode PIN Fujitsu: bande passante

Bande passante à 3 dB: environ 3 GHz Capacité de jonction quasim ent constante

La réponse en fréquence est très régulière et proche de l’idéal d’un filtre passe-bas du premier ordre. La capacité de jonction est quasiment indépendante de la tension de polarisation.

136


Sommaire



Les photodiodes PIN



137


Le phénomène d’avalanche Au delà d’une tension V a de polarisation inverse dite tension

d’avalanche, l’énergie cinétique des porteurs accélérés par le champ électrique est suffisante pour ioniser par ch oc des atomes du cristal et créer ainsi d’autres porteurs libres .

C’est le phénomène d’avalanche :

whν

Le phénomène d’avalanche permet de multiplier les paires électron-trou à partir de l’absorption d’un seul photon. Ce phénomène permet d’amplifier le signal en interne àla photodiode. La photodiode à avalanche est donc un photomultiplicateur à état solide.

138


Le photocourant d’une diode avalanche

Un photon incident crée donc non pas une seule pair e de porteurs libres au maximum mais M paires en moyenne .

Le coefficient M est le coefficient de multiplicati on.

Le photocourant s’écrit donc :

M étant la valeur moyenne du coefficient de multipl ication, le processus de multiplication apporte un bruit de gre naille supplémentaire dit bruit en excès. Le facteur de br uit en excès est caractérisé par l’exposant x

optph PSMI ⋅⋅= )(λ

Le phénomène d’avalanche est cependant bruyant. Comme le coefficient de multiplication des paires électron-trou fluctue autour d’une valeur moyenne; il en résulte un bruit de grenaille supplémentaire. En pratique, il existe un coefficient M optimal qui maximise le rapport signal à bruit.

139


M en fonction de la tension de polarisation

M

VpolarVa

≈≈≈≈1

10

T100n

bVV

1

1M

−−−−

≈≈≈≈

Va: tension d’avalancheVb: tension de claquage (« breakdown »)

n=1,4 - 4

Vb

M augmente avec la tension de polarisation Vpolar

M décroît avec la température.

Tension de polarisation forte:

Si: 500V

Ge: 30 V

Coefficient de multiplication M:

Si: M=100

Ge: M=10

Caractérisation par produit gain-bande MxB. M.B >> 200 GHz

En général, quand M augmente, la bande passante diminue.

Si le phénomène d’avalanche permet d’obtenir du gain en interne au composant, il est en revanche bruyant. La photodiode à avalanche est donc par nature plus bruyante que la photodiode PIN.

Compromis gain-bruit

140


Une structure classique de PDA: la diode PππππPN

P+ I(π)(π)(π)(π) N+

x

Pe-

h+

Er

Zone absorbante I

photons

ΦΦΦΦ

E

Zone de multiplication(jonction abrupte)

Ea

x

141


Sommaire



Les photodiodes PIN



142


Mise en œuvre des photodiodes

Un récepteur optique complet comprend:• La photodiode de détection avec son optique de couplage.

• Le circuit de polarisation de la diode.• Le circuit d’amplification du signal à détecter et le circuit de polarisation.

• Éventuellement des filtres.

Le récepteur complet doit être adapté au signal à dét ecter:• En niveau optique minimum (sensibilité)

• En niveau optique maximum (éblouissement, saturation)• En bande passante (débit, modulation,…)

• En rapport signal sur bruit.

143


Récepteur optique adapté

hν

Lumière incidente

Vs= G .VeVe = Rc. Iph

+ V

Rc

PIN: qqes volts

PDA: qqes dizaines de volts

préamplificateurfaible bruitIph

optCS PSRGV ⋅⋅⋅=

La tête optique de réception (front-end en anglais) est constituée de trois éléments fondamentaux: la photodiode, la charge et le préamplificateur. On fait ici abstraction des composants périphériques de polarisation et de découplage d’alimentation qui entrent également dans le calcul de la réponse en fréquence du récepteur complet. A l’origine, ces trois éléments étaient des composants discrets assemblés sur des circuits imprimés ou hybrides.

La photodiode polarisée en inverse produit un courant proportionnel à la puissance reçue. Ce courant traverse la résistance de charge. La tension aux bornes de cette dernière est amplifiée par le préamplificateur (généralement un transistor à effet de champ). Si le préamplificateur est linéaire, on obtient à sa sortie une tension proportionnelle à la puissance optique reçue.

144


Récepteur optique moderne transimpédance

hν

Vs = Z . Iph

Z: transimpédance (en Ω ou dBΩ) en contre réaction de l’amplificateur: meilleur compromis bruit-bande

récepteurs intégrés PIN-FET ou APD-FET

+ V

Rc

Préamplificateurtransimpédance

Iph

optS PSZV ⋅⋅=

L’intégration monolithique a permis de rassembler en une seule et même puce les trois éléments fondamentaux que sont la photodiode, la résistance de charge et le préamplificateur (en général un transistor à effet de champ). La structure adoptée pour ce dernier est une structure transimpédance avec contre-réaction permettant d’optimiser la bande passante et le bruit.

145


Schéma équivalent d’un récepteur optique

Cd Rc RaCa

Détecteur Amplificateur

in ain thin q

Iph

Résistancede charge

G

Vs

Source debruit quantique

Source debruit thermique

Source de bruit de l’amplificateur

Les deux schémas précédents sont équivalents à :

Le schéma équivalent du « front-end » optique de réception fait apparaître trois sections:

-La photodiode proprement dite avec sa source du bruit de grenaille qui débite sur les deux sections suivantes en parallèle.

-La résistance de charge et sa source de bruit thermique

-L’amplificateur avec son impédance d’entrée et sa source de bruit ramenée àl’entrée.

146


Bande passante électrique de réception

La photodiode débite ainsi dans un circuit R-C parallèle où

Ce réseau est un filtre passe-bas du 1er ordre qui détermine la fréquence de coupure électrique du photodétecteur. On a:

Une bande passante de détection étendue implique une impédance de charge basse et une capacité réduite.

ac

ac

RR

RRR

+=

RCfc π2

1=

badtotale CCCC ++=

Capacité du boîtier

147


Rapport signal sur bruit (SNR) après détection

En sortie du préamplificateur, le rapport signal su r bruit électrique s'écrit, dans sa forme la plus générale :

Iph : photocourantId : courant d'obscuritéIamp : courant de bruit du préamplificateurM : facteur de multiplication (égal à l’unité pour PIN)x : coefficient d'excès de bruit (nul pour PIN)∆∆∆∆f : bande passante électrique du récepteur

><+∆⋅+∆⋅+=

+ 22

2

4)(2

)(

ampc

xdph

ph

ifR

kTfMIIe

MISNR

148


Exemple: un module APD-FET « Bookham »

Source: doc. en ligne Bookhamwww.bookham.com

149


Caractéristiques du module APD-FET «Bookham»

Z

S

Sensibilité du récepteur

Source: doc. en ligne Bookhamwww.bookham.com

150


Glossaire

PIN: jonction semi-conductrice à 3 zones dopées resp ectivement P -Intrinsèque-N

APD: A valanche P hotoD iode PDA: PhotoD iode à A valanche FET: Field E ffect T ransistor : transistor à effet de champ.

151


C8Transmission sur fibre optique

Bases d’ingénierie

Michel MorvanENST Bretagne, Département d’optique

152


Sommaire

Introduction, classification des systèmes

Le canal de transmission

Modulation des sources optiques

Récepteurs optiques et seuil de réception

Budget, marge, pénalité d’une liaison non amplifiée

153


Les systèmes de transmission sur fibre optique

ÉmetteurE/O

RécepteurO/E

S R

Fonction: transporter l'information d'un point à un autre, sous forme optique, avec la meilleure qualité possible (c ouche physique du modèle OSI).

Canal optiquede transmission

(Fibres optiques, connecteurs/épissures, coupleurs, amplificateurs, MUX/DMUX, filtres,compensateurs de dispersion chromatique, etc…)

Signaux reçusSignaux émis

154


Fenêtres de transmission des fibres en silice

1111èèèèrererere fenêtrefenêtrefenêtrefenêtre0,85 0,85 0,85 0,85 µµµµmmmm

2222èèèèmemememe fenêtrefenêtrefenêtrefenêtre1,3 1,3 1,3 1,3 µµµµmmmm

3333èèèèmemememe fenêtrefenêtrefenêtrefenêtre1,5 1,5 1,5 1,5 µµµµmmmm

Atténuation (dB/km)

Longueur d’onde(µµµµm)

155


Structure d’un système de transmission sur fibre optique

Les modules d'émission et de réception sont de comp lexité et de coûts variables selon:• Les performances visées (débit, portée, marge)• L’application (réseau local, longue distance, sous-marin, etc…).

Les conditions de propagation (monomode ou multimode, dispersions diverses,…) et la composition du canal déterminent la conception et les performances globa les du système.

156


Comparaison des fibres

gradient d’indice

nmonomode

r

réponse enimpulsion

profil d’indicetype de fibre

multimodenc

ng

50

10

62.5

φφφφ=125

157


Bande passante des différentes fibres

Fréquence de modulation de la source optique

Coefficient d’atténuation

(dB/km)

1 MHz

0

10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz

1

2

3

4

multimodesaut d’indice

multimodegradient d’indice

monomodesaut d’indice

Le type de fibre impose la bande passante vue des i nterfaces de transmission.

158


Bande passante des différentes fibres GRIN multimodes

5001500OM3

500500OM2

500200OM1

Bande passante à1300 nm (MHz.km)

Bande passante à850 nm (MHz.km)

Type de fibreISO/IEC 11801

OM : Optical Multimode

159


Classification simple des systèmesFibre

Courte portéeDébit « moyen »

multimode monomode

Longue distanceet/ou haut débit

DatacomLAN &

réseaux locaux

Télécom &Datacom haut débit

160


Sommaire






161


Les caractéristiques de base de la fibre optique

L’atténuation (en dB/km) , proportionnelle à la dist ance.

Les effets de dispersion (se cumulent avec la dista nce)• dispersion intermodale (pour les fibres multimodes)• dispersion chromatique (ou intramodale).• dispersion modale de polarisation (PMD).

Les effets non-linéaires (la réponse de la fibre dé pend de la puissance en ligne)• effet Kerr (SPM, XPM, FWM).• effets de diffusion stimulée Brillouin et Raman.

162


Fonction de transfert de la fibre optique

La réponse de la fibre optique est linéaire quand le champ électromagnétique propagé n’est pas trop intense.

Un tronçon de fibre est donc caractérisé par sa fonction de transfert :

)()A(=)H( ωωω Φ⋅ je

Α(ω) est l’atténuation du tronçon de fibre à la pulsation considérée.

Φ(ω) est le déphasage apporté par la propagation dans le tronçon de fibre.

( )ωeE ( )ωω es EHE ⋅= )(Tronçon de fibre optique monomode

( )tee ( )tethte es ∗= )()(

163


Modélisation du canal fibre optique

)()()( vji

ievAH φν −⋅=

)()()( tjSS

SetPKtE ϕ−⋅= )()()( thtEtE SR ∗=

⋅

= ∑∑ )()()( * tEtEkSti RRR

)(tiS

Signal transmis Signal reçu

DEL oudiode laser

I

P

PhotodiodePIN ou APD

P

I

164


Atténuation linéique d’une fibre optique

TX RX

Pe Pr

kmdBkmr

edB L

P

PA /log10 α⋅=

⋅=Atténuation de la fibre :

Fibre de longueur L (km)

αααα : atténuation linéique

165


Atténuation de la fibre monomode à saut d’indice

Longueur d’onde(µµµµm)

Atténuation (dB/km)1

.8

.6

.4

.2

01 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

0,18 dB/km

Pic d ’absorption OH

166


Dispersion chromatique d’une fibre

TX RX

te tr

er ttt −=∆ )(λTemps de propagation de groupe :

Dispersion chromatique :

Fibre de longueur L (km)

( ))(

)()( λ

λλλ dL

d

tdD ⋅=∆=

unité: ps/nm.kmLa dispersion chromatique est la variation du temps de propagation de groupe par rapport à la longueur d’onde

unité: ps/nm

167


Dispersion chromatique de la fibre standard

10

-10

20

0

1200 1300 15001400

-20

1310

1550

17

Dispersion (ps/nm.km)

Longueur d’onde (nm)

D<0: les fréquences basses se propagent plus vite q ue les hautes. C’est le régime de dispersion normale

D>0: les fréquences hautes se propagent plus vite q ue les basses. C’est le régime de dispersion anomale

168


Zones d’utilisation de la fibre optique monomode

Longueur d’onde ( µµµµm)

Atténuation (dB/km)

1

.8

.6

.4

.2

01 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Dispersion (ps/nm.km)

20

10

- 10

- 20

0

169


Les principaux types de fibres monomodes Fibre monomode standard à saut d’indice

• ~ 0 ps/nm.km @ 1310 nm• ~ 17 ps/nm/km @ 1550 nm• standard ITU-T G.652 (SSMF: Standard Single Mode Fi ber)

Fibre à dispersion décalée (prévue pour transmission TDM à haut débit, désormais délaissée)• DC ~ nulle @ 1550 nm.• standard ITU-T G.653 (DSF: Dispersion Shifted Fiber)

Fibre à dispersion réduite ( pour transmission WDM longue distance)• Ex: LEAF: DC de 2 à 6 ps/nm.km typ. de 1530 à 1560 nm• standard ITU-T G.655 (NZDSF: Non–Zero Dispersion Shi fted Fiber)

170


Dispersion des différentes fibresmonomodes

SMF

Dis

pers

ion

(ps/

nm×k

m)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Atté

nuat

ion

(dB

/km

)

1600 1700140013001200 15001100

Longueur d’onde (nm)

DSF

20

10

0

-10

-20

Bande de gain de l’EDFA

NZ-DSF

Atténuation(tous types de fibres)

NZ-DSF

171


Sommaire






172


Caractéristiques spectrales des sources optiques

Diodes électro-luminescente (LED)• Puissance optique : 0.1 – 0.5 mW• Longueur d’onde : 1300 nm• Largeur spectrale : 50 - 150 nm• Débit max (DM): qqes centaines de Mbit/s

Diodes laser multimodes (Fabry-Pérot, VCSEL)• Puissance optique : 1 – 10 mW• Longueur d’onde FP : 1300 - 1550 nm• Longueur d’onde VCSEL : 850 nm • Largeur de l’enveloppe spectrale : 2 - 10 nm• Débit max(DM): jusqu’à 10 Gbit/s

Diodes laser monomode (DFB, DBR)• Puissance optique : 1 – 10 mW• Longueur d’onde : 1300 - 1550 nm• Largeur spectrale : 0,1 - 0,5 pm• Débit max (DM): jusqu’à 10 Gbit/s

P

λ

λοP

λ

λο

λ

λοP

173


Association source - fibre

fibre source

multimode 50/125 µm

monomode 9/125 µm

DEL ou DSL

(spectre large)

pas de problème

- spectre trop large - couplage difficile

laser Fabry Pérot (spectre de raies)

bruit modal

- OK pour 1,3 µm - dispersion trop grande à 1550 nm

laser DFB ou DBR

(raie unique)

bruit modal

transmission sur

fréquence porteuse

Le bruit modal se traduit par une fluctuation de la puissance reçue.

174


Largeur de source et dispersion chromatique

avec une fibre monomode standard D = 17 ps/nm.km à 1 .55 µm

avec une fibre monomode à dispersion décalée D = 1 p s/nm.km à 1.55 µm

Source Largeur

spectrale (nm)

∆τ∆τ∆τ∆τ (ps) Bande Passante 1000/ ∆τ∆τ∆τ∆τ(GHz) par km de fibre

DEL 50 50 20

Laser FP 2 2 500

Laser DFB 0.02 0,02 50 000

Source Largeur spectrale

(nm)

∆τ∆τ∆τ∆τ (ps) Bande Passante 1000/ ∆τ∆τ∆τ∆τ(GHz) par km de fibre

DEL 50 750 1.33

Laser FP 2 30 33

Laser DFB 0.02 0.3 3333

175


Classification des systèmes sur fibre monomode

Source laser

Courte portée(10 km max)

Débit moyen à fort(2,5 Gbit/s max)

FP(multimode)

DFB(monomode)

Longue distance (de 2 à4000 km)

et/ou haut débit622 Mbit/s à 40 Gbit/s

Datacom haut débitRéseaux métro

Datacom très haut débitWDM LH et ULH

176


La photodétection: une détection quadratique

+ VPIN: qqes volts

PDA: qqes dizaines de voltsLumière incidente

Rc

préamplificateurfaible bruit

SEchampr

*2

SSSoptph EEEPSIrrr

⋅=∝⋅=

ES VGV ⋅=phCE IRV ⋅=

L’information de phase contenue dans le champ est p erdue

177


Modulations numériques utilisées en optique

Dans les systèmes à détection d’intensité, le signal optique transmis est unipolaire : on module une puissance qui est une grandeur positive.

On utilise des modulations à deux niveaux (considéra tions de simplicité à haut débit) sur un canal à grande bande p assante.

NRZ

RZ

1 0 111 00

Manchester

178


Modulation directe d’un laser On module le courant de polarisation du laser:

I

Poptique

P0

Pmin

Pmax

I0

179


Modulation directe des lasersLa densité de porteurs est modifiée par la modulation : [n] = f(t)

→→→→ indice du SC n = f( t )

→→→→→→→→ longueur d’onde λλλλ =f( t )

C’est le phénomène de « chirp »

Intensité

lumineuse

Porteurs

t

Chirp observé

Élargissement du spectre d’émission du laser

180


Diagramme de l’œil On observe le diagramme de l’œil en visualisant le signal reçu sur

un oscilloscope synchronisé par l’horloge récupérée.

Récupération d’horloge

hν

Préamp.faible bruit

GO/E

Filtre passe-bas

Sync.

Signal

Oscilloscope

181


Effet du chirp à l’émission

100 km

0 km

Spectre du signal optique émis

f0f1

Diagrammes de l’œil

Le chirp à l’émission détermine la dispersion chroma tique (en ps/nm) maximale admissible sur la liaison.

182


Propagation d’une impulsion optique « chirpée »

Impulsion optique « chirpée » à l’émission

La fibre présente un temps de propagation de groupe qui dépend de la longueur d’onde : l’impulsion est distordue et étalée temporellement.

Temps

Fibre optiquedispersive avec D>0

Impulsion optique étalée en réception

Temps

ff

fréquence fréquence

Spectre en puissance inchangé

183


Modulation externe des lasers

On utilise un dispositif de modulation séparé de la source:• modulateur électro-optiques en LiNbO3.• modulateur à électro-absorption

Bande passante de modulation: jusqu’à 30 GHz.

Sourcelaser continue

données

Mod. Ext.

184


Le modulateur interférométrique de Mach-Zehnder

On utilise un effet électro-optique pour modifier l a phase dans l’une des branches de l’interféromètre et ainsi modifier l’in tensité à la recombinaison.

L

Signal à transmettre

( )∆Φ+= iE

E inout exp1

2

∆Φ−⋅ iin eE

2

2inE

inE

∆Φ⋅=2

cos2inout PPLnL ⋅∆⋅=⋅∆=∆Φ λ

πβ 2

185


Caractéristique d’un modulateur Mach-Zehnder

avec

Vππππ-2 Vππππ -Vππππ 2 Vππππ0

in

out

P

P

V

⋅⋅=

π

πV

VPP inout 2

cos2

nnn moyen ∆+=d

Vnrn moyen

3

2

1 ⋅⋅=∆

Effet Pockels: variation d’indice proportionnelle a u champ scalaire.

186


Modulation par modulateur de Mach-Zehnder

Polarisation à 2Vππππ−−−−

V

Tension électrique

Puissance optique

Signaux en phase Tension

électrique

Puissance optique

Signaux en opposition de

phase

VVπ-Vπ 0

1

Vπ/2Vπ-Vπ 0

1

-Vπ/2

Polarisation à2πV+

187


Modulateur à électro-absorptionDiode intégrable avec le laser

Sans polarisation

λ λ λ λ

Absorption αααα

∆α∆α∆α∆α

λλλλsignal

polarisation inverse

( )LVPP inout ⋅⋅Γ−⋅= )(exp α

P0 : puissance couplée dans le guide.

ΓΓΓΓ : le facteur de confinement optique.

αααα(V) : coefficient d’absorption fonction de V

L : longueur du guide.

Tension inverse (∼∼∼∼4Vmax)

Puissance optique de sortie

Tension électrique

Puissance optique

En opposition de phase

188


Tension de commande: dépend de la technologie:• 1 à 3 V pour les modulateurs électro-absorbants• 4 à 7 V pour les modulateurs LiNbO3

Bande passante: dépend du débit. Une valeur supérie ure à 0,75 x débit est recommandée.

Taux d’extinction: une valeur autour de 10 dB est r ecommandée

Coefficient de chirp αααα: dépend de l’architecture du modulateur et de la technologie:

• α = -0,7 pour un modulateur Mach-Zehnder simple.• α réglable (positif, nul ou négatif) pour les modulateurs Mach-Zehnder push-pull• α < -0,7 plus fort pour les modulateurs électro-absorbants.

le chirp fixe la valeur maximale de dispersion chro matique admissible pour l’émetteur optique.

Caractéristiques principales des modulateurs

189


« Chirp » d’une modulation d’amplitude

Le facteur de couplage phase-amplitude (« chirp ») d’ une modulation directe ou externe est défini par :

( )dtdI

I

dtd

H

⋅

=1

φα

Ce coefficient est appelé facteur de Henry. Il vaut

• plusieurs unités (de 3 à 7) pour une modulation directe.• - 0,7 pour un modulateur de Mach-Zehnder simple.• 0 pour un modulateur de Mach-Zehnder symétrique.

La modulation d’amplitude est d’autant meilleure qu e le facteur de Henry est faible.

190


Propagation d’une impulsion non « chirpée »

Diagrammes de l’œil (NRZ) à 10 Gbit/s en modulation d’amplitude idéale après transmission sur fibre standard G.652

0 km

120 km

60 km

180 km

L’encombrement spectral naturel de la modulation d’ amplitude pure suffit à limiter la portée de transmission.

191


Longueur de dispersion

Le caractère dispersif d’une fibre peut s’apprécier en calculant la longueur de dispersion :

T0 est la largeur de l’impulsion initiale et ββββ2222 la dérivée seconde de la constante de propagation de la fibre.

Cette longueur représente la distance au bout de la quelle une impulsion à profil gaussien est déphasée de ππππ du fait de la dispersion chromatique

2

20

βT

LD =22

1 2)D( β

λπ

λβλ ⋅−== c

d

doù

192


Dispersion chromatique : élargissement d’une impulsion

impulsion à profil d’amplitude gaussien

avec D : dispersion chromatique

dZ L

Ztt += 10

D

ctLD 2

202

λπ=

T BIT

Z…

zto tz

1 0 1 1

T BIT

…

pour une fibre monomode G.652 : D = 0 à la longueur d’onde 1.3 µm

193


Sommaire






194


Récepteur optique transimpédance (front- end)

hν

Préamplificateurtransimpédance

Vs = Z x Iph

Z: transimpédance de l’amplificateur (en ΩΩΩΩ ou dB ΩΩΩΩ)

optphS PSZIZV ⋅⋅=⋅=

Popt

+ VRc

195


Exemple: un module PIN-FET « Bookham »10G

11 mm

Source :www.bookham.com

196


Z S

Sensibilité du récepteur

Caractéristiques du module PIN-FET «Bookham»

197


Schéma bloc d’un récepteur optique (code NRZ)

Préamplificateurfaible bruitSignal

optique incident

O/E

CK

Rec.

Récupération de rythme

Récepteur O/E

Filtre passe-bas

Echantillonneur

Comparateur

Signal électrique

binaire régénéré

Signal d’horloge

198


Si on compte N e bits erronés sur N bits reçus, on définit le taux d’erreurs sur les bits (TEB) ou BER (Bit Error Rate) en anglais par:

N

NlimTEB e

∞→= N

Signal reçu

Signal émis

Erreur

Le taux d’erreurs sur les bits ou TEB

Le critère fondamental de qualité d’une transmission numérique est le taux d’erreurs sur les bits (ou TEB). On peut ensuite dériver du TEB d’autres indicateurs de qualité adaptés aux applications comme le nombre de secondes erronées ou gravement erronées.

La mesure du TEB est d’autant plus précise que le nombre N de bits reçus est grand, donc que le temps de comptage est long.

Quand les erreurs sont en nombre suffisant, une étude statistique de la distribution de celles-ci au fil du temps donne certaines indications sur les causes probables de perturbation de la transmission. Par exemple, si les erreurs sont réparties de manière homogène et obéissent àune statistique de Poisson, alors on peut supposer que les erreurs sont dues au bruit reçu avec le signal. Si par contre les erreurs arrivent en rafales, on est en présence d’un phénomène intermittent: ce peut être une dégradation passagère du canal de transmission, une interférence électromagnétique ou un défaut intermittent d’un organe de la chaîne.

Si les caractéristiques du canal varient au cours du temps, les erreurs peuvent survenir en rafale et il s’agit alors d’adopter les moyens de codage de canal adéquats pour s’en protéger. Si au contraire le canal est stable, les rafales d’erreurs sont synonymes de dégradation du système.

199


Temps de comptage pour TEB +/- 30%: Ne=100

116 j10-159953,28

10 s10-99953,28

465j10-152488,32

40 s10-92488,32

7442 j10-15155,52

643 s10-9155,52

TempsTEBDébit (Mbit/s)

200


Du signal binaire à l’histogramme des échantillons

Seuil de décision : valeur de I d

τ

occurrence

signal

Probabilité d’avoir un 1 : p(1)

Probabilité d’avoir un 0 : p(0)

Probabilité d’erreur

I1

I0

Fenêtre d’échantillonnage

t

201


Calcul du TEB pour un bruit gaussien

I1

ID

I0

20 0200 0

( )1 1P(1/0) exp

2 22 2D

D

I

I I I IdI erfc

σσ π σ∞ − −= − =

∫

21 1211 1

1 ( ) 1P(0/1) exp

2 22 2

DI DI I I IdI erfc

σσ π σ−∞

− −= − =

∫

+

Hypothèse: bruit total gaussien en réception et pui ssance de bruit différente suivant le symbole.

01

1 0

1BER

4 2 2DD I II I

erfc erfcσ σ

−−= +

=

I

202


=

−+

−=σσσ 222

1

224

1 01 derfc

VVerfc

VVerfcTEB DD

Avec d : distance entre les deux symboles

Si le bruit blanc additif gaussien est indépendant du symbole reçu, on a σσσσ1=σσσσ0=σσσσ.

Le seuil de décision doit être placé à mi-distance de s deux niveaux pour une performance optimale. On a donc:

Calcul du TEB pour un signal binaire avec BBAG

Si le canal est à bruit blanc additif gaussien, les probabilités de dépassement du seuil de décision pour le symbole « 0 » et pour le symbole « 1 » s’expriment à l’aide de la fonction d’erreur complémentaire erfc(x). La probabilité d’erreurs sur les bits (PEB) dépend donc uniquement du rapport d/σ de la distance entre symboles sur l’écart type du bruit blanc. L’écart entre symboles est proportionnel à la puissance du signal reçu.

Si le niveau de bruit dépend du symbole reçu, il faut distinguer l’écart type du bruit sur le « 0 »de l’écart type du bruit sur le « 1 ».

203


Le TEB est minimal pour ce qui correspond à

l’équiprobabilité des erreurs sur les « 1 » et les « 0 ».

On a alors :

On a donc :

Le TEB en fonction du facteur Q

10

0110

σσσσ

++= II

I d

01

01

0

0

1

1

σσσσ +−=≅−=− II

QIIII dd

32

)2/exp(

22

1 2

≥−≈

= QsiQ

QQerfcTEB

π

204


Courbe TEB=f(Q)

Q

TEB

7,6.10-2410

1,1.10-199

6,2.10-168

1,3.10-127

9,9.10-106

2,9.10-75

3,2.10-54

1,3.10-33

TEBQ

205


où m 1 et m 0, σσσσ1 et σσσσ0 sont respectivement les moyennes et les écarts type des échantillons au niveau "1" et au niveau "0 " respectivement.

1 0

1 0

m mQ

σ σ−=+

A partir de l’histogramme des échantillons du diagr amme de l’œil obtenu en réception après filtrage, l’oscilloscope calcule le facteur Q précédemment défini par:

Obtention du facteur Q

Fenêtre d’échantillonnageHistogramme du bruit

m1

m0 t

σσσσ1111

σσσσ0000

206


><?

Bruits thermiques

Bruit quantique du photocourant

élecSampc

élecélecd

S

BeSPiR

kTBBeI

SPSNR

24

2

)(

2

2

+><++=

Rc Vs

Ps

préamplificateurfaible bruit

Lumière incidente

Ve = Rc x Iph

Bruit quantique du courant d’obscurité

Rapport SNR en photoréception avec diode PIN

Courant de bruit thermique : blanc

En photodétection, le bruit quantique ou de grenaille est proportionnel au photocourant et donc à la puissance optique reçue. Pour les photodiodes modernes, le courant d’obscurité est très faible, ce qui engendre un bruit de grenaille négligeable. Quant au bruit thermique, il est indépendant du niveau de signal optique reçu.

A faible puissance reçue, le bruit thermique est donc dominant. On peut alors simplifier l’expression du SNR.

207


f∆

R

Tk ⋅4

f

( )fγ

Réseauélectronique R

Résistance « bruyante » ⇔⇔⇔⇔ Réseau

électronique

Résistancenon

« bruyante »R

<i² th>

R

fTki th

∆⋅⋅>=< 42

Le bruit thermique (ou bruit Johnson)

Le bruit Johnson est dû à l'agitation thermique des électrons dans les matériaux conducteurs et semi-conducteurs. Il est présent dans les résistors et les transistors à température ambiante. Le courant de bruit thermique se superpose au courant traversant le composant. En électronique, on le modélise en considérant des résistances non-bruyantes avec en parallèle (resp. en série) un générateur de courant (resp. un générateur de tension) de bruit (cf. cours ELP102 en S1).

Pour toutes les applications en électronique jusqu’à quelques milliers de GHz, ce bruit est considéré comme blanc . Il est à moyenne nulle et obéit à une statistique gaussienne.

208


qq iIititi +=+>=< )()(

Courant électrique i(t)

t

I=< i(t) >

Composante aléatoire du courant: bruit de grenaille blanc, gauss ien et centré

0>=< qiavec

fIeiq ∆⋅⋅>=< 22

e=1,6.10-19 C, charge élémentaire

.

iq

Le bruit de grenaille (ou bruit Schottky)

Le bruit de grenaille (ou bruit Schottky) est une conséquence de la nature corpusculaire du courant électrique (flux d’électrons) ou du rayonnement électromagnétique (flux de photons). Pour cette raison, il est aussi appelé bruit quantique, notamment en communications optiques, où il peut dans certains cas représenter la principale contribution au bruit total. Le bruit de grenaille est inévitable et accompagne tout courant électrique ou flux de photons.

Le courant électrique n’est en effet pas un continuum de charge en mouvement mais un flux d’électrons irrégulièrement espacés portant chacun une charge élémentaire. La loi statistique qui régit le passage des électrons ou des photons est la loi de Poisson. Nous autres humains avons du bruit de grenaille une expérience acoustique: c’est par exemple le bruit de la pluie sur une vitre. Chaque goutte de pluie frappe la vitre provoquant un son de type impulsionnel. La superposition de toutes ces impulsions nous apparaît comme un bruit de type grenaille.

Pour le passage d’un grand nombre d’électrons par unité de temps, ce qui est pratiquement toujours le cas en électronique, la loi de Poisson tend vers une loi de Gauss. C’est la raison pour laquelle le bruit de grenaille est considéré comme gaussien.

209


Bruit de grenaille en détection optique

La puissance du courant de bruit de grenaille (ou quantique) dû au photocourant sur la bande électriqu e du récepteur s’écrit donc:

Contrairement au bruit thermique, la puissance de b ruit de grenaille dépend donc de la puissance optique reçue .

élecphq BIei ⋅⋅>=< 22 avec optph SPI =

210


Le rapport SNR est défini par:

Donc

bruit

crêteSignal

P

PSNR=

2

2

2

2 )(

σσSPd

SNR ==

Pour un signal unipolaire en tout ou rien (modulati on OOK), on a:

Expression du TEB en fonction du rapport SNR

dt

0

d

P, I

=

=électh

moy

Bd

SPerfcSNRerfcTEB

222

1

22

1

2

1

On peut parler de rapport signal à bruit quant le bruit est indépendant du signal reçu. C’est notamment le cas du canal BBAG largement utilisé en transmission radioélectrique et par extension pour toutes les transmissions où le bruit thermique est dominant.

Ici, nous prenons comme convention la puissance crête du signal pour le calcul du rapport SNR. Vous pouvez également trouver des ouvrages où l’on prend la puissance moyenne, auquel cas on trouve un facteur 2 entre les deux rapports.

Le rapport SNR est une fonction croissante de la puissance du signal reçu alors que la PEB est une fonction décroissante de P. Pour que la PEB soit inférieure à une valeur limite fixée, il faut donc que la puissance reçue soit supérieure à une puissance donnée dite seuil de réception ou de détection.

211


Relation entre facteur Q et rapport SNR

Le rapport SNR électrique après détection est défin i par la relation:

En reprenant le même signal idéal, on obtient :

Donc finalement :

bruit

crêteSignal

P

PSNR=

( ) ( )2

2

21 2QBd

SP

P

PSNR

électhbruit

crêteSignal =⋅

==

2

SNRQ =

= SNRerfcTEB22

1

2

1et

Rappel : cette relation entre facteur Q et SNR est valable uniquement quand le bruit thermique est dominant

212


Détermination du seuil de réception

On doit donc augmenter la puissance reçue Ps pour diminuer le TEB.

Si on se fixe une limite supérieure du TEB, on se fixe de ce fait une limite inférieure pour la puissance reçue. Cette limite est le seuil de réception (à taux d’erreurs donné).

)( SPfSNR=On a

fonction croissante de Ps

)( SPgTEB= fonction décroissante de Ps

minmax SS PPTEBTEB >⇒< Seuil de réception

213


Pour un signal idéal avec un taux d’extinction infini, le niveau de puissance optique pour « 0 » est nul donc m0=0.

On a σ0=0 car le bruit quantique est proportionnel au photocourant.

En limite quantique pour un signal idéal, le facteur Q devient donc :

Le facteur Q en limite quantique

élecélec eB

SP

BeSP

SPmmmQ

221

1

1

1

1

01

01 ===+−=

σσσ

21

2Q

S

eBPP élec

moy ⋅==Soit une puissance moyenne reçue :

214


Pour un signal idéal avec un taux d’extinction infini, le niveau de puissance optique pour « 0 » est nul donc m0=0.

Si le bruit thermique est dominant, on a σ1=σ0= σth avec :

Pour un bruit thermique dominant en réception d’un signal idéal, le facteur Q s’écrit donc :

Le facteur Q pour un bruit thermique dominant

électhth Bd

SPmmmQ

2

11

01

01

22==

+−=

σσσ

électhth Bd ⋅= 22σ

QS

BdPP électh

moy ⋅==2

1

2Soit une puissance moyenne reçue :

215


Seuils de réception typiques

Seuils de réception typiques des modules de récepti on actuels:

à 2,5 Gbit/s pour TEB=10 -10 :• PIN/transimpédance: de -28 dBm environ • APD/transimpédance : de -30 à -35 dBm• avec préamplificateur optique: -42 dBm environ.

à 10 Gbit/s pour TEB=10 -10 :• PIN/transimpédance: de -15 à -20 dBm • APD/transimpédance : de –20 à -25 dBm environ• avec préamplificateur optique: -30 dBm environ.

216


Sommaire






217


Définitions: budget et bilan de liaison, marge

• Le seuil de réception (à TEB donné) d’un récepteur optique est la puissance nécessaire en entrée de celle-ci pour assurer le dit TEB.

• Le budget de liaison (à TEB donné) est l’atténuation (en dB) que l’on peut supporter entre la sortie de l’émetteur et l’entrée du récepteur pour assurer le dit TEB. C’est la différence (en dB) entre la puissance émise et le seuil de réception.

• Le bilan de liaison désigne la répartition du budget de liaison sur les différents postes d’atténuation (fibre, connecteurs, marge, pénalité,…). Il découle de l’ingénierie choisie pour la liaison.

• La marge en puissance est la différence de puissance (en dB) entre le niveau de réception dans les conditions opérationnelles de fonctionnement et le niveau de réception minimum permis par les interfaces pour une qualitédonnée.

218


Performances d’un système non-amplifié

Pour un système non-amplifié optiquement, c’est le b udget qui détermine la performance sur une fibre donnée. Il f aut donc connaître :• La puissance à l’émission.

• Le seuil de réception : puissance en réception pour un TEB donné.

La réception va généralement s’effectuer à faible ni veau de signal, donc à bruit thermique dominant. Le seuil de récepti on s’exprime donc en fonction du facteur Q et des paramètres car actéristiques du récepteur:

QS

BdPP électh

moy ⋅==2

1

2

219


Marge et budget de liaison

Puissance émise

Seuil de détection @ 10 -N

Puissance reçue

Budget maximumpermis par les interfaces

Marge

Budget de la liaison

Bmax= Budget effectif de liaison + Marge

Niveaux de puissance

220


Pénalité de transmission

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-32 -31 -30 -29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22

Puissance reçue (dBm)

10 log (BER)Courbes TEB=f(P reçue )

Pénalité de 3 dBen puissance

Émetteur Récepteur

Back-to-back

signal émis(back-to-back)

Canal de transmission

Sur canal de transmission

après transmission sur le canal

La pénalité de transmission, appelée aussi pénalité de conduit dans le cas de la transmission sur fibre optique ou sur câble, est l’écart de puissance (en dB) à TEB constant donné (10-9 dans ce cas précis), entre les niveaux de réception avec et sans propagation.

Cette pénalité traduit le fait que la canal de transmission distord le signal, ce qui a pour conséquence d’augmenter le niveau de réception pour récupérer la même distance entre signaux (à bruit constant).

221


Influence de la pénalité sur le budget effectif

Pémise


en back to back

Budget effectif de liaison

Niveaux de puissance

Pénalité du canal depropagation


sur canal de transmission

Preçue

Marge

Budget maximum autorisépar les interfaces

Documents

ELP 201 Mineure ELP C 3 &4 Les transmissions optiques Mineure ELP Module 201