Les Ondes Optiques

Les Ondes Optiques

Riad Haïdar

ONERA

Département d’Optique Théorique et Appliquée

2

The ElectroMagnetic Spectrum

RADIO FREQUENCIES

OPTICAL FREQUENCIES

= 100 mm

f = 3 GHz

= 1 mm

f = 300 GHz

Propagation : optical fibers

MICRO WAVES

3

Fiber propagation

n1 > n2

n2

4

Reflection & Refraction

n2<n1

n1

1 1

1

2

2

Snell’s law

2211 sinsin nn

2211 coscos nn

n2<n1

n1

1= c

c

Critical angle

1

2sinn

nc

1

2cosn

nc

n2<n1

n1

1 >c

Total internal reflection

5

Un fil de verre seul peut aussi conduire la lumière...

>> MAIS il n'y a pas confinement au voisinage du centre.

>> Ce sera une fibre multimode.

>> Le milieu extérieur peut influencer la propagation.

Pour les communications sur de longues distances, onutilise une fibre monomode pour minimiser les problèmes de dispersion.

Remarque

6

Fiber performance

z=0 z=L

Dispersion

z=0 z=L

Attenuation

7

Optical attenuation in glass

1960

Att

enua

tion

(dB

/km

)

1

10

100

1000

0.11970 1980 1990 2000

20 dB/km (Corning)

0.16 dB/km

CVD (Chemical Vapor Deposition)

8

Fiber attenuation (SiO2)

1.80.8 1.0 1.2 1.4 1.60.9 1.1 1.3 1.5 1.7

Wavelength (m)

Att

enua

tion

(dB

/km

)

0.2

0.5

1.0

1.5

Rayleighscattering IR band edge

OH-- peak

UVabsorption

0.70.6

4

1R.Scatt

0.16 dB/km

9

Light detection

Other Fiber losses (1)

Épissure : fusion bout à bout de deux fibres.

>> Pertes typiques de 0,05 dB sur les fibres standard télécoms.

Light insertion

Micro

Positioning

Détection de lumière

Détection de lumière

Light detection

Micro

Positioning

electric arc

10

longitudinal Dradial d

angular cores

ellipticitycores

misaligning


11


Courbures :

>> Il y a modification des conditions de réflexion : un rayon totalement réfléchi dans un guide droit, peut s'échapper par réfraction lorsque le guide est courbé.

>> Les fibres monomodes tolèrent un rayon de courbure de l'ordre de 10 cm sans perte notable

>> les pertes croissent exponentiellement avec la courbure.

12

Théorie du Guidage

Deux approches sont possibles :

• la théorie géométrique : (optique des rayons), valable pour des cœurs de dimensions beaucoup plus grandes que la longueur d'onde.

• la théorie ondulatoire : elle utilise les équations de Maxwell avec les conditions aux limites. Elle conduit à la notion de mode, valable pour toute dimension de coeur.

Pour des diamètres beaucoup plus grands que la longueur d'onde les

deux théories se rejoignent.

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Les rayons se divisent en deux types :

• Les rayons hélicoïdaux, qui ne coupent jamais l’axe

• Les rayons méridionaux

A chaque inclinaison m correspond un groupe de rayons

>> on parle de « mode ».

Chaque mode est caractérisé par sa vitesse de phase VP liée à l'angle m par :

>> Il y a autant d'inclinaisons que de modes.

Théorie du Guidage

mcoP Cos . n

V

1

14

Modes & Rays

waveguide

d

2 1 0

m=0 m=2m=1

d

mk mx

1,

0

,arcsinnk

k mxm

15

Mode intensity profiles

• Optical modes:

0 1 2

d

a

Planar:

Single-mode if V

Fiber:

Single-mode if V 2.405

22

21

2nn

dV

22

21

2nn

aV

V number

>> determines how many modes a fiber supports

16

Number of modes

• Number of modes in step-index fiber

if V > 2.405

• Optical power in the cladding (gaine optique)

2

2

2

1 22

22

1

2V

nna

M

MP

Pcladding

3

4 for large values of V

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Numerical Aperture

1

2cosn

nc Critical angle:

Maximum entrance angle:

cn

n sinsin0

1max,0

22

21

211max,00 cos1sinsin nnnnnNA cc

Numerical aperture:

Multimode fiber

n1

n2

0 c

n0

n0

18

Numerical Aperture

n

n

n

nn

n

nn

nnn

1

212

1

22

21

21

2

: if

2222

21 nnnnnNA

61.0 max,0NA

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Dispersion

Les différentes composantes du signal se propagent selon des temps différents dans la fibre optique.

Deux causes essentielles :

– Différence de trajet (dispersion modale)

– Différence de vitesse (dispersion chromatique)

20

L

n1

n2

Dispersion (intermodal)

c

t

c

nLT 1

min

cc

nLT

cos1

max

1

2cosn

nc

21

Deux longueurs d’onde 1 et 2 voyagent à des vitesses différentes

Dispersion (chromatic)

L

n1

n2

Bonne nouvelle : La dispersion s'annule vers 1300nm.

t

22

Type de fibrerco / rgo

Multimode100 / 140 µm

Monomode9 / 125 µm

Monomode9 / 125 µm

Longueurd'onde (nm)

1300 1300 1550

Dispersion M(ps/ nm/ km)

22.000 3,5 20

Dispersion in numbers

23

Dispersion and frequency

10

100

1 1000 freq (MHz)

Attenuation (dB/km)

Coaxial Multi saut d’indice

Multi gradient d’indice

Monomode

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Les Solutions :

– Emploi de source monochromatique.

– Fibre à dispersion décalée :

• décaler le zéro de dispersion vers 1550nm

(car atténuation min à 1550nm)

• aplatir la dispersion dans le domaine 1300 -1550 nm.

Pour cela, on doit réaliser des profils d’indice spéciaux à cœur segmenté (de type W par exemple) ou/et triangulaire.

>> Une transmission sur 100 km sans répéteur est alors réalisable.

Dispersion (chromatic)

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Débit = BP * Efficacité

(Bits / s) = (Hz) * (Bits / s / Hz)

1 – BP disponible autour de 1550nm : ~ 15 THz

2 – Meilleure isolation en => Meilleure Efficacité

Aujourd’hui : 0,2 Bits/s/Hz

D’ici 24 mois : 0,5 Bits/s/Hz

Radio : 10 Bits/s/Hz

Objectif à long terme : 150 Tbits/s

15 THz

10 Bits/s/Hz

B.P.

Efficacité

150 Tbits/s

Dispersion (enjeux)

26

refractiveindex

SM Single-Mode

Fiber types

MM-SIMulti-ModeStep Index

MM-GIMulti-ModeGraded Index

2/1

1 21

a

rnrn

27

Fiber classification (1)

Core diameter (coeur) 50 - 400 m

Cladding (gaine) 125 (500) m

2nd coating (2nde gaine) 250 - 1000 m

NA (ouverture numérique) 0.16 - 0.5

Attenuation 1 - 4 dB/km

Bandwidth 6 - 25 MHz.km

Application Short distance, low cost

limited bandwidth

MM-SI: Multi Mode - Step Index fiber

28


Core diameter 50 m standard

Cladding 125 m

2nd coating 200-1000 m

NA 0.2 - 0.3

Attenuation 1 dB/km (1300 nm)

Bandwidth 150 MHz.km - 2 GHz.km

Application Medium distance communication

LED/Laser sources

MM-GI: Multi Mode - Graded Index fiber

29


Core diameter 3-10 m

Cladding 50-125 m

2nd coating 200-1000 m

NA ~0.1 (not used)

Attenuation 0.20@1550nm - 0.4@1300nm dB/km

Bandwidth >> 500 MHz.km

Application Long distance communication

Lasers, standard fiber

SM-SI: Single Mode - Step Index fiber

30

• G.652 : fibre monomode standard (SMF)Dispersion 17ps/nm/km à 1550nm

>> Faible débit

• G.653 : fibre à dispersion décalée (Shifted Dispersion Fibre)

Dispersion = 0 à 1550nm mais sensible aux effets non linéaires

>> Débits élevés (> 10Gbits/s)

>> Pas WDM

• G.655 : l ’avenir ! Compromis entre G.652 et G.653

Dispersion = 8ps/nm/km à 1550nm et insensible aux effets non linéaires

>> Débits élevés (> 10Gbits/s)

>> WDM (120 canaux démontrés en 2000)

Today Fibers

31

Today Fibers

0

+20

-20

1300 1550

wavelength (nm)

Dispersion (ps/nm/km)

G.652

G.653

SDF

SMF

1430

G.655

32

Silica fibers – preform fabrication

Gases inO2, HeSiCl4GeCl4BBr3

POCl3

Silicatube

Heating ring

Gases out

Deposit

preform

furnace

Diameter controlPolymer coating solution

Polymer curing

Pulling drive

Take-up reel

Modified chemical vapor deposition for preform fabrication

Pulling machine

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Fiber materials

• Silica glass fiber– starting material: pure silica (SiO2) in the form of fused quartz

(amorphous)– modification of refractive index by addition of impurities

• lowering refractive index : B2O3, F• raising refractive index : P2O5, GeO2

• Polymer optical fiber (POF)– large core (multimode)– large refractive index difference between core and cladding– easy handling– relatively high losses

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Advantages of Optical communication

Huge bandwidth

Small and light

Low loss

Electrical isolation

No EMI (Lightning, interference)

Security (no tapping)

Reliability

Low cost per bit

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Les Sources Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

• Laser à fibre dopée à l’Erbium

• Laser à semi-conducteur

1 - les plus utilisés pour intégration (qques µm)

2 - deux types Distributed FeedBack (DFB), incluant la zone de gain

Distributed Bragg Reflector (DBR), ne l’incluant pas

+

–

p

n

Miroirs semi-réfléchissants

Lumière cohérente

Light Sources

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Technique d'accord Gamme de couverture

Vitesse d'accord

Laser à accord mécanique 500 nm 1-10 ms

Laser à accord électro-optique 7 nm 1-10 ns

Laser à accord par injection de courant 10 nm 1-10 ns

Caractéristiques des lasers utilisés dans les télécoms

Les Sources Accordables

Light Sources

37

• f < 1Gbits/s (1 GHz) : OK

• Entre 1 GHz et 10 GHz :

- La diode n’a plus le temps de laser

- Phénomène de « CHIRP » : se met à fluctuer

>> CHIRP + dispersion des fibres : Pb !

Light Modulation

La modulation interne

LASERP (t)

ti(t)

modulation

38

• La diode émet en continu, on place un obturateur en sortie

• Limite électronique : 10 Gbits/s

Light Modulation

La modulation externe

LASER

modulateur

P0

0

P(t)

0

39

Que module-t-on ?

– Modulation du champ rayonné

• Modulation en amplitude(ASK), fréquence (FSK) ou phase (PSK)

• Source nécessairement cohérente : laser

• Fibre monomode indispensable

– Modulation d’intensité

• Seule la puissance rayonnée est modulée.

• Nul besoin d’une source cohérente

• Toutes les fibres conviennent

Light Modulation

40

Exemples à 1 Gbit/s

Fibre multimode saut d’indice : L = 10 m

Fibre multimode gradient d’indice : L = 1 km

Fibre monomode :

• DEL 1,5µm L = 500 m

• DFB 1,5µm + modulation directe L = 250 km

• DFB 1,5µm + modulation externe L = 2500 km Limite due à la dispersion.

41

Les réseaux optiques « classiques » sont bridés en débit :

Fibre optique

Multiplexeur/démultiplexeur électronique

Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur)

2 Gbits/s

Electronic Multiplexing

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La solution : on combine Mux/Demux électronique et optique

Fibre optique

Multiplexeur/démultiplexeur électronique

Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur)

Demux/Mux optique

n x 2 Gbits/s

n x

Wavelength Division Multiplexing WDM

43

Aujourd’hui

Historiquement, le WDM consistait à discriminer les voies montantes (1,5µm) et descendantes (1,3µm)

Progrès :

– 2000 : Mux WDM à 80 longueurs d ’onde à 2Gbits/s (160Gbits/s!)

– 2001 : Mux WDM à 200 longueurs d ’onde à 2Gbits/s (500Gbits/s!)

Espacement inter-canaux : ~ 50GHz (0,4nm) autour de 1550nm

Wavelength Division Multiplexing WDM

44

Amplificateurs OptiquesEDFA (erbium doped fiber amplifier)

Puissance

fréquence

1 2 3

Puissance

fréquence

1 2 3

Fibre dopée à l ’erbium

Diode laserCourant de pompage

Lentille de couplage

Signal Signal amplifié + bruit

45

EDFA (erbium doped fiber amplifier)

Pompage indirect

= 0,98 µm

Pompage direct

= 1,48 µm

Énergie

Émission stimulée à 0

État excité

État instable

État d’équilibre

46


courbe de gain

0,4

0,18

5 THz 25 THz

Atténuation (dB/km)

Longueur d’onde (nm)1430 15501300

Amplification

3 THz

47

• L’EDFA convient à tous types de modulation :

– amplitude ASK : tout photon incident induit un photon stimulé

– fréquence FSK et phase PSK

• Gain jusqu’à 40dB dans une bande de 3 THz ([1,53 - 1,56µm])

• Utilisation de canaux autour de 1,5µm si espacés de 100GHz

• Bruit large spectre dû à l’émission spontanée >> filtrable

• Temps de réponse : 10ms


48

Amplificateur à semi-conducteur SCOA

Puissance

fréquence

Puissance

fréquence

Courant de pompage

Diode laser

Lentille de focalisation + traitement anti-reflet

Conversion électro-optique

49

Type d'amplificateur

Zone de gain Largeur de

bande Temps de réponse

Gain

SCOA Quelconque 40 nm 1 ns 25 dB

EDFA 1525 nm - 1560 nm

35 nm 10 ms 25-51 dB

PDFFA 1280 nm - 1330 nm

50 nm ? 20-40 dB

PDFFA : praseodynium doped fluroide fiber amplifier

Amplificateurs Optiques

50

A note on dB and dBm

• dB– optical signals:

– electrical signals:

–

• dBm– absolute power value (with 1 mW as reference)

– power level in dBm:

2

1log10P

P

22

11

2

1

2

1 log10log20log20IV

IV

I

I

V

V

mW

P

1log10

elelopt PIP electrical dB = 2 x optical dB

51

FIN

Documents

Les Ondes Optiques