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LES FIBRES OPTIQUES Pierre LECOY Professeur ECP /ENSEA Option ESE 2009

LES FIBRES OPTIQUES

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LES FIBRES OPTIQUES. Pierre LECOY Professeur ECP /ENSEA Option ESE 2009. FIBRES OPTIQUES. 0,2 dB/km. Portée > 100 km. Avantages des fibres optiques :. Performances de transmission : très faible atténuation très grande bande passante multiplexage en longueur d’onde possible. - PowerPoint PPT Presentation

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  • LES FIBRES OPTIQUESPierre LECOYProfesseur ECP /ENSEA

    Option ESE 2009

    Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

  • FIBRES OPTIQUESAvantages des fibres optiques : Performances de transmission : trs faible attnuationtrs grande bande passantemultiplexage en longueur donde possible Avantages de mise en oeuvre :faible poids, trs petite taille, grande souplessescurit lectrique (isolation) et lectromagntique Avantage conomique :cot global du systme souvent infrieur celui d'un systme sur cuivre0,2 dB/kmPorte > 100 km10/40 Gbit/s par lPlusieurs Tbit/s !Insensible aux perturbationsScurit des informations

    Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

  • FIBRES OPTIQUESDomaines dutilisation :Insensibilit aux perturbations Tlcommunications et rseaux : Liaisons longue distance, terrestres et sous-marines (WAN)Rseaux mtropolitains (MAN)Rseaux locaux informatiques (LAN)Rseaux daccs des abonns Capteurs et instrumentation optique Transport de lumireMarch fortement cycliqueToujours en croissanceRedmarrage du march(FTTH)clairage, visualisation, faisceaux laser Liaisons industrielles et embarques :contrle, video, bus de terrain interconnexions dans une carte ou une puce

    Pierre LECOY - Fibres optiques ESE

  • FIBRES OPTIQUESElments dun systme sur fibres optiques :

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  • FIBRES OPTIQUES MULTIMODESA saut dindice (step index) :

    revtementForte diffrence de temps de propagation

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  • FIBRES OPTIQUES MULTIMODESA gradient dindice (graded index) :Faible diffrence de temps de propagation

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  • FIBRES OPTIQUES MULTIMODES

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  • FIBRES OPTIQUES MULTIMODESRponse impulsionnelle h(t) :Effet de la dispersion intermodale

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  • FIBRES OPTIQUES MULTIMODESRponse frquentielle : Bande passante :BP 1/2Dt

    en MHz.km

    le produit longueur x bande passante est constant approximativement

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  • FIBRES OPTIQUES MONOMODESCondition de propagation monomode :V (frquence rduite) = < 2,4 il faut donc :un petit diamtre de cur (typ. moins de 10 m) une faible diffrence dindice (typ. moins de 0,5%) l > lc longueur donde de coupure Avantages : - pas de dispersion intermodaleApplications en instrumentationtrs grande bande passante trs hauts dbitsCe nest pas la fibre qui est chre !mais pas infinie (dispersions chromatique et de polarisation)- conservation de la cohrence de la lumire

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  • FIBRES OPTIQUES MONOMODESCaractristiques :Divergence du faisceau en sortie : q0 = l/pw0Profil saut dindice(fibre standard)

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  • FIBRES OPTIQUES MONOMODESDispersion chromatique :entrane un largissement dimpulsion :Dtc = Dc. Dl.LDfauts de la fibre + birfringence induite (contraintes )ps/nm/kmps/kmCaractre alatoire

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  • DISPERSION CHROMATIQUECourbe dans la silice : Dc = DM + DG

    Adapte au WDM(mux. en longueur donde)+ compensation optique de la dispersionDispersion guide < 0 dpend des paramtres de la fibre

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  • ATTENUATIONAttnuation intrinsque des fibres de silice :Diffusion RayleighPic OH1re 2me 3me fentreAbsorption infrarouge

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  • PERTES EXTRINSEQUESFuite de lumire .par courbureou microcourbures

    aux raccordementsQuelques applications :Capteurs mcaniques Pinces de contrle de trafic rduites par le choix de la fibre (forte ON) la structure du cble la prcision des connecteurs

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  • FENETRES DE TRANSMISSIONsur fibres optiques de silice :

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  • FENETRES DE TRANSMISSIONFTTH

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  • PRINCIPAUX TYPES DE FIBRES

    MatriauPlastiqueToute silice (cur dop au GeO2)TypeMultimode saut dindiceMultimode gradient dindiceMonomode standardMonomode disp. dcaleDiamtrescur / gaine (mm)980/100050/12562,5/1259/1257/125Longueurs dondeet attnuationVisible200 dB/km0,85 m 1,3 m3 dB/km 0,9 dB/km1,3 1,55 m0,5 0,2 dB/km1,5 1,6 m0,22 dB/kmDbits typ.et distances10 100 Mb/s100 m100 Mb/s /5 km1 Gb/s /400 m100 Mb/s 2 km1 10 Gbit/s20 50 kmn x 10 Gbit/smilliers de kmMise en uvrepb. particuliersFacile tempratureAssez facilePlus dlicateraccordementsCot globalFaible Assez faiblePlus lev (interfaces, connecteurs)ApplicationsprincipalesEclairage, visualisation,trans. donnes trs courte distanceDistribution, LANs hauts dbits(GE courte distance)LANs tous dbitsLANs trs hauts dbits,MANs,FTTH/PON,moyennes dist.Liaisons trs longues (avec amplificateurs et WDM)

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  • CABLES A FIBRES OPTIQUES

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  • CONNECTEURS OPTIQUESGrande varit !

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  • COMPOSANTSDES SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES

    TypeTechnologieOptiquepassifOptiqueactifOptique non rciproqueOpto-lectroniqueVerres(fibres assemblesou substrats de verre)CoupleursFiltresAttnuateursMultiplexeursCommutateurs (lents)Amplificateurs fibres ou verres dopsCristauxde type LiNbO3id.ModulateursCommutateursIsolateursSemi-conducteursIII V ou Siid.id.Amplificateurs s-cEmetteursRcepteurs

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  • COUPLEURSCoupleur en XCoupleur en Y partage de la puissance en 2 parts, gales ou non (splitter)-3dB

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  • COUPLEUR EN ETOILE fibres torsades et fusionnesperte : 10 log n(thorique)+ perte en excs

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  • MULTIPLEXAGE EN LONGUEUR DONDEDiffrents types : deux voies (ou deux fentres) ;peu slectifIntrts : - augmente la capacit des liaisons (mme dj installes) - permet des rseaux multiterminaux plusieurs voies proches :DWDM, Dense Wavelength Division MultiplexingCWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing

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  • MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR DONDEde type : deux voies,technologie filtres dichroques

    entre deux fentres de transmission Permet le multiplexage de signaux en sens identiques ou opposs

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  • MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR DONDEPrincipe du rseau de diffraction (grating) diffraction par une surface grave + interfrencesVers fibres accs slectifApplications : (d)multiplexeurs en l analyse spectrale

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  • RESEAUX DE BRAGGBragg gratingsPrincipe des rseaux de Bragg photoinscrits :une seule longueur donde est rflchie:celle pour laquelle il y a accord de phaseentre les rflexions lmentaires : l = L.2n Applications : filtres, (d)multiplexeurs, capteurs dallongement

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  • MULTIPLEXEUR DINSERTION- EXTRACTIONOADM, Optical Add-Drop Multiplexer permet dextraire un signal, et den insrer un autre sa placesans dmultiplexer lensemble

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  • MODULATEUR OPTIQUE Interfromtre de Mach Zehnder : utilisation de leffet lectro-optique en optique intgreApplications : Modulation tout ou rien Modulation analogique (en cos2f) Modulation de phase 2 tatsavec f = p (formats duobinaire ou DPSK)Le champ modifie lindice, donc la phase

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  • MODULATEUR OPTIQUE pour modulation externencessaire trs haut dbit plus bas dbit, la modulation interne est possible, et plus conomique

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  • COMMUTATEURS OPTIQUESTechnologies :

    RapiditEncombrementconsommationCapacit ApplicationsMcanique100 msimportantfaibleFaibleScurisationde rseauxMicromcanique (MEMS)msfaiblemoyenneEleveBrasseurs(matrices)Optique intgre(acousto- ou electro-optique)s nsimportantleveAssezfaibleCommutation temporelle3D(ex. holographiques)ms / smoyenfaible (LCD)TrsleveBrasseurs(matrices)

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  • COMMUTATEUR OPTIQUEswitch deux voiesDoc. DICON

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  • COMMUTATEUR OPTIQUEMatrices de commutation micromiroirsExemple de ralisation en MOEMS(Micro Optical Electrical Mechanical Structure) ; Lucent, 2000

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  • MATERIAUX ELECTROLUMINESCENTSSemi-conducteurs III-V :GaAs 1re fentre infrarouge (l = 900 nm)Ga1-x Alx Asentre 700 et 900 nm en fonction (dcroissante) de xGa1-x Inx Asy P1-y 2me ou 3me fentre infrarouge (l = 1200 1600 nm en fonction croissante de x et y)Ga1-x Inx Asy Sb1-yautour de 2,5 mGa Asx P1-xdu jaune au rougeGaPvert (l = 565 nm) GaAlP rouge haut rendementGaN/InGaNbleu (l = 440 nm)lecture de disques optiques, visualisation DEL blanches : par phosphorescence dun matriau excit dans le bleu

    IIIIVVBCNAlSiPGaGeAsInSnSb

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  • EMETTEURSDiodes lectro-luminescentes :Principe de lhtrojonction

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  • DIODES LASERStructure Fabry ProtAmplificationsi J > Jth+ rsonancepour lp = 2Ln/p Courant suprieur un seuilSpectre multimode (large)

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  • EMETTEURSDiodes laser : structure DFB(distributed feed-back)Rflexion distribuedune seule longueur dondel = 2L.nSpectre monomode (troit)Composant coteux !

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  • EMETTEURSDiodes laser : structure VCSELComposant de hautes performances mais conomique fabriquerApplications 850 nm : courte distance et (trs) hauts dbits (10 Gbit/s)lecture optique, impression ..Test possible sur wafer(vertical cavity surface emitting laser)

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  • EMETTEURS POUR FIBRES OPTIQUESEn recul

    TypeDELLaser VCSELLaser FPLaser DFBPuissance couple10 100 Wqq. mWqq. mWqq. mWEmissionpar la surface, divergentepar la surface, peu divergentepar la tranche, assez divergentepar la tranche, assez divergenteLongueurs donde0,85 et 1,3 m0,85 m1,3 m1,3 et 1,55 mSpectrelargetroit(une raie)assez large(plusieurs raies)trs troit(une raie trs fine)Caract. P(i)linaireseuil, 5 10 mAseuil, 10 30 mAseuil, 10 30 mAFrquence max. de modulation100 200 MHzplusieurs GHzCottrs faible faibleassez levlevUtilisationstransmission courte distance sur fibres multimodeshaut dbit (typ. GE) courte distance, fibres multi. + lecture optique, imprimantes haut dbit sur fibres monomodes 1,3 m, FTTHtrs haut dbit sur fibres mono. surtout 1,55 m, systmes WDM

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  • EMETTEURSDiffrents botiers :Module diode laserDoc. NORTEL

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  • RECEPTEURSPrincipe de la photodiode PINiS = S.P photocourant S sensibilit de la photodiode (en A/W) = hq/hniD courant d'obscurit non dope(i = intrinsque)responsivityBruit quantique : = 2q.i.DFdark current

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  • BRUIT DU RECEPTEURModle (simplifi) :Bruit de fond lectronique indpendant de PBruit quantique (ou bruit de grenaille) = 2qSP.DFpW/Hzoptique

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  • TRANSCEIVERModule dmission - rceptionDoc. NORTEL

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  • AMPLIFICATION OPTIQUEPrincipe dans une fibre dope Erbium :(EDFA, erbium doped fiber amplifier)

    Amplifie autour de 1,5 mm

    Autres matriaux :Neodyme (Nd) 1,06 mm

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  • AMPLIFICATION OPTIQUESpectre dans lerbium :Amplifie de nombreuses longueurs donde

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  • AMPLIFICATEUR OPTIQUEA FIBRE DOPEE ERBIUMSchma (amplificateur unidirectionnel, pompage vers l'aval) : avantages : amplifie un grand nombre de longueurs dondes simple car pas dlectronique haut dbit mais pas de rgnration ne compense pas la dispersion accumulation du bruit et des effets non linaires

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