Transcript Fibres Optiques(plus complet

Les Ondes Optiques
Riad Haïdar
ONERA
Département d’Optique Théorique et Appliquée
The ElectroMagnetic Spectrum
l = 100 mm
l = 1 mm
f = 3 GHz
f = 300 GHz
RADIO FREQUENCIES
MICRO WAVES
OPTICAL FREQUENCIES
Propagation : optical fibers
2
Fiber propagation
n1 > n2
n2
3
Reflection & Refraction
2
n2<n1
1
n1
1
1
2
Snell’s law
n1 sin 1  n2 sin 2
n1 cos1  n2 cos 2
n2<n1
n2<n1
1= c
n1
c
Critical angle
n
sin c  2
n1
 1 >c
Total internal
reflection
n1
n
cos c  2
n1
4
Remarque
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.
5
Fiber performance
z=0
z=L
Attenuation
z=0
z=L
Dispersion
6
Attenuation (dB/km)
Optical attenuation in glass
1000
CVD (Chemical Vapor Deposition)
100
10
 20 dB/km (Corning)
1
0.1
1960
0.16 dB/km
1970
1980
1990
2000
7
Attenuation (dB/km)
Fiber attenuation (SiO2)
1.5
1.0
Rayleigh  R.Scatt  1 


l4 
scattering 
IR band edge
UV
absorption
OH-- peak
0.5
0.2
0.16 dB/km
0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
Wavelength (mm)
8
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
electric arc
Micro
Positioning
Light
detection
Détection de
Light
lumière
detection
Détection de
Micro
lumière
Positioning
9
Other Fiber losses (1)
longitudinal D
radial d
angular 
cores
misaligning
cores
ellipticity
10
Other Fiber losses (2)
Courbures :
>> Il y a modification des conditions de réflexion : un rayon
totalement réfléchi dans un guide droit, peut s'échapper par réfraction
lorsque le guide est courbé.
>> Les fibres monomodes tolèrent un rayon de courbure de l'ordre de
10 cm sans perte notable
>> les pertes croissent exponentiellement avec la courbure.
11
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.
12
Théorie du Guidage
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 :
1
VP 
nco . Cos  m
>> Il y a autant d'inclinaisons que de modes.
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Modes & Rays
waveguide



2
1
0
d
m=0
k x ,m
m=1

m  1

d
m=2
 k x ,m 

 m  arcsin 
 nk 0 
14
Mode intensity profiles
• Optical modes:
Planar:
V
d
2d
l
n1  n2
2
n1  n2
2
2
Single-mode if V  
0
1
2
a
Fiber:
V
2a
l
2
Single-mode if V  2.405
V number
>> determines how many modes a fiber supports
15
Number of modes
• Number of modes in step-index fiber


1  2a  2
V2
2
M 
 n1  n2 
2 l 
2
2
if V > 2.405
• Optical power in the cladding (gaine optique)
Pcladding
P
4

3 M
for large values of V
16
Numerical Aperture
Multimode fiber
0
n0
n0
c
n2
n1
Critical angle:
cos c 
n2
n1
Maximum entrance angle:
sin  0,max 
n1
sin  c
n0
Numerical aperture:
NA  n0 sin  0,max  n1 sin  c  n1 1  cos2  c  n1  n2
2
2
17
Numerical Aperture
if n1  n2  n :
n1  n2
n1  n2 n



2
n1
n
2n1
2
2
NA  n1  n2  2n  n  n 2
2
2
NA  0.1  0,max  6
18
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)
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Dispersion (intermodal)
L
c
Tmin
n1
n2
n1
 L
c
Tmax  L 
n1
c  cos c
n2
cos c 
n1
t
20
Dispersion (chromatic)
Deux longueurs d’onde l1 et l2 voyagent à des vitesses différentes
L
n1
n2
t
Bonne nouvelle : La dispersion s'annule vers 1300nm.
21
Dispersion in numbers
Type de fibre Multimode
rco / rgo
100 / 140 µm
Monomode
9 / 125 µm
Monomode
9 / 125 µm
Longueur
d'onde (nm)
1300
1300
1550
Dispersion M
(ps/ nm/ km)
22.000
3,5
20
22
Dispersion and frequency
Attenuation (dB/km)
100
Coaxial
Multi saut
d’indice
Multi gradient
d’indice
10
Monomode
1
1000
freq (MHz)
23
Dispersion (chromatic)
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.
24
Dispersion (enjeux)
Débit = BP * Efficacité
(Bits / s) = (Hz) * (Bits / s / Hz)
1 – BP disponible autour de 1550nm :
~ 15 THz
2 – Meilleure isolation en l => Meilleure Efficacité
Aujourd’hui :
0,2 Bits/s/Hz
D’ici 24 mois :
0,5 Bits/s/Hz
Radio :
10 Bits/s/Hz
150 Tbits/s
15 THz
B.P.
10 Bits/s/Hz
Objectif à long terme : 150 Tbits/s
Efficacité
25
Fiber types
SM
Single-Mode
MM-SI
Multi-Mode
Step Index
MM-GI
Multi-Mode
Graded Index


r 
nr   n1 1  2  
 a  

1/ 2
refractive
index
26
Fiber classification (1)
MM-SI: Multi Mode - Step Index fiber
Core diameter (coeur)
50 - 400 mm
Cladding (gaine)
125 (500) mm
2nd coating (2nde gaine)
250 - 1000 mm
NA (ouverture numérique)
0.16 - 0.5
Attenuation
1 - 4 dB/km
Bandwidth
6 - 25 MHz.km
Application
Short distance, low cost
limited bandwidth
27
Fiber classification (2)
MM-GI: Multi Mode - Graded Index fiber
Core diameter
50 mm standard
Cladding
125 mm
2nd coating
200-1000 mm
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
28
Fiber classification (3)
SM-SI: Single Mode - Step Index fiber
Core diameter
3-10 mm
Cladding
50-125 mm
2nd coating
200-1000 mm
NA
~0.1 (not used)
Attenuation
dB/km
0.20@1550nm - 0.4@1300nm
Bandwidth
>> 500 MHz.km
Application
Long distance communication
Lasers, standard fiber
29
Today Fibers
• 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)
30
Today Fibers
Dispersion
(ps/nm/km)
G.652
+20
G.655
0
G.653
SMF
-20
SDF
1300
1430
1550
wavelength
(nm)
31
Silica fibers – preform fabrication
Gases in
O2, He
SiCl4
GeCl4
BBr3
POCl3
preform
Silica
tube
Heating ring
furnace
Gases out
Deposit
Modified chemical vapor deposition
for preform fabrication
Diameter
control
Polymer
coating
solution
Polymer
curing
Takeup reel
Pulling drive
Pulling machine
32
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
33
Advantages of Optical communication
 Huge bandwidth
 Low loss
 Low cost per bit
 Small and light
 Electrical isolation
 No EMI (Lightning, interference)
 Security (no tapping)
 Reliability
34
Light Sources
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
Miroirs semi-réfléchissants
+
–
p
Lumière cohérente
n
35
Light Sources
Les Sources Accordables
Caractéristiques des lasers utilisés dans les télécoms
Technique d'accord
Gamme de Vitesse
couverture 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
36
Light Modulation
La modulation interne
modulation
i(t)
P (t)
LASER
l t
• f < 1Gbits/s (1 GHz) : OK
• Entre 1 GHz et 10 GHz :
- La diode n’a plus le temps de laser
- Phénomène de « CHIRP » : l se met à fluctuer
>> CHIRP + dispersion des fibres : Pb !
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Light Modulation
La modulation externe
modulateur
LASER
P0
P(t)
l0
l0
• La diode émet en continu, on place un obturateur en sortie
• Limite électronique : 10 Gbits/s
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Light Modulation
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
39
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.
40
Electronic Multiplexing
Les réseaux optiques « classiques » sont bridés en débit :
Fibre optique
l
2 Gbits/s
Multiplexeur/démultiplexeur électronique
Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur)
41
Wavelength Division
Multiplexing WDM
La solution : on combine Mux/Demux électronique et optique
Fibre optique
nxl
Sl
n x 2 Gbits/s
Multiplexeur/démultiplexeur électronique
Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur)
Demux/Mux optique
42
Wavelength Division
Multiplexing WDM
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 : dl ~ 50GHz (0,4nm) autour de 1550nm
43
Amplificateurs Optiques
EDFA (erbium doped fiber amplifier)
Puissance
Puissance
l1
l2
l3
fréquence
l1
Fibre dopée à l ’erbium
l2
l3
fréquence
Signal amplifié + bruit
Signal
Lentille de
couplage
Courant de
pompage
Diode laser
44
EDFA (erbium doped fiber amplifier)
Énergie
État excité
État instable
Émission
stimulée à l0
État d’équilibre
Pompage
indirect
Pompage
direct
l = 0,98 µm l = 1,48 µm
45
EDFA (erbium doped fiber amplifier)
courbe de gain
Atténuation (dB/km)
5 THz
25 THz
Amplification
3 THz
0,4
0,18
1300 1430 1550
Longueur d’onde (nm)
46
EDFA (erbium doped fiber amplifier)
• 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
47
Amplificateur à semiconducteur SCOA
Conversion électro-optique
Puissance
Puissance
l
l
Courant de
pompage
fréquence
fréquence
Diode laser
Lentille de focalisation + traitement anti-reflet
48
Amplificateurs Optiques
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
49
A note on dB and dBm
• dB
– optical signals:
P
10 log 1 
 P2 
– electrical signals:
V 
I 
VI 
20log 1   20log 1   10log 1 1 
 V2 
 I2 
 V2 I 2 
–
Popt  I el  Pel
 electrical dB = 2 x optical dB
• dBm
– absolute power value (with 1 mW as reference)
– power level in dBm: 10 log P 
 1m W 
50
FIN
51