Transcript Fibres optiques

OPTO-ELECTRONIQUE
Composants photoniques et fibres optiques
Serge MONNERET
Institut Fresnel – CNRS – Marseille
[email protected]
tel : 04 91 28 80 52
Contenu du cours - Plan
1. Fibres optiques
Introduction
Propagation dans les fibres optiques
Fibre à saut d'indice / à gradient d'indice
La fibre réelle : dispersion - atténuation
Fabrication des fibres optiques
Câbles à fibres optiques
2. Sources lumineuses
3. Détecteurs de lumière
4. Réseaux de communications optiques
Rappel : types de fibres
Fibre à saut 200/380
grande dispersion
BP = 10-50 Mhz / km
Fibre à gradient
62.5/125 universités
50/125 télécoms locales
BP = 200-1500 MHz / km
Fibre à saut 200/380
10/125 télécom grande distance
BP > 10 Ghz / km
Dispersion et atténuation dans les FO
Dispersion
propagation dans la fibre
Deux types de dispersion :
1- Dispersion chromatique
n = n(l) donc v = c/n = v(l)
2- Dispersion intermodale
v = f(mode)
Fibre monomode : uniquement dispersion chromatique
Fibre multimode : dispersion chromatique + intermodale
Dispersion intermodale
saut d'indice : DtSI = L (ON)2 / (c.nc) avec O.N.  nc (2D)1/2
gradient d'indice : Dtgr  L nc D2 / (8c)
(gradient optimal)
DtSI / Dtgr  16 / D
A.N.
nc = 1.5 D = 0.01 L = 1 km
DtSI = 100 ns d'où BP = 10 MHz
Dtgr = 0.06 ns d'où BP = 16 GHz
Dispersion chromatique
SMF = Single Mode Fiber
Fibres actuelles optimisées :
Dt = quelques ps km-1 nm-1 autour de 1.3 µm
Dispersion chromatique
Affaiblissement du signal
Définition de l'atténuation :
Si l'on injecte une puissance lumineuse Po à l'extrémité d'une fibre, on ne récupère qu'une
fraction P1 de Po à l'autre extrémité.
L'atténuation de la fibre est le rendement exprimé en décibel sous la forme
A (dB) = 10 Log10 (P1 / P0)
Rappels :
A = 0 dB :
A = -1 dB :
A = -3 dB :
A = -20 dB :
Rq :
P2 = P1
P2 = P1/1.26
P2 = P1/2
P2 = P1/100
dBm : valeur de P2 lorsque P1 = 1 mW
0 dBm = 1 mW
-10 dBm = 0.1 mW
Origines de l'atténuation
•
Pertes par ABSORPTION
•
Pertes par DIFFUSION
•
Autres (couplage)
Mécanismes de l'absorption
•
Pertes par ABSORPTION
Absorption intrinsèque : interaction lumière/silice
0.1 dB/km pour l = 0.8 µm
0.02 dB/km pour l = 1.5 µm
1 dB/km pour l = 1.8 µm
Absorption extrinsèque : interaction lumière/impuretés
130 dB/km pour l = 0.85 µm pour 1 ppm de Fe
60 dB/km pour l = 1.38 µm pour 1 ppm d'OH-
Mécanismes de la diffusion
Diffusion Rayleigh : l > diamètre des défauts
Elle provient des variations de l'indice de réfraction du matériau sur des
longueurs inférieures à la longueur d'onde de la lumière ; elle se traduit par une
perte de puissance lumineuse inversement proportionnelle à l4 (loi de
Rayleigh)
Diffusion de Mie : l < diamètre des défauts
Atténuation des fibres de silice
Relevé expérimental de l'atténuation en fonction de l
absorption OH
60 dB/km pour 1 ppm
Décroissance d'ensemble en l-4 : diffusion Rayleigh
Atténuation des fibres de silice
Quelques caractéristiques de fibres commerciales
Les pertes aux épissures
Les grandes classes de connexion
Les différents types de verre
a) Les divers types de verre
 (dB/km)
2 000 000
200 000
2000
0.2
Bouteille
Vitre
Optique
Silice
impuretés
10 kg/tonne
1 kg/tonne
10 g/tionne
1 mg/tonne
1% d’énergie après
1 cm
10 cm
10 m
100 km
transparence
exceptionnelle !!
b) Le matériau
Les verres à composants multiples
Ils sont élaborés à partir de la silice à laquelle sont rajoutés des oxydes ou des
carbonates le tout étant fondu dans un creuset en platine
Méthode du double creuset
Méthode du ‘ barreau dans le tube ’
Les verres à haute teneur en SiO2
Ils sont obtenus par oxydation en phase vapeur de particules de SiCl4.
C
SiCl 4  O2 1700

SiO 2  2 Cl 2
La variation d ’indice est obtenue par dopage, en proportion contrôlées, avec
des oxydes tels que GeO2 (oxyde de Germanium), P2O5 (oxyde de
Phosphore), B2O3 (oxyde de Bore) ou SiF4 (fluorure de silicium)
La préforme
En fabrication, tout commence par ce qu'on appelle la préforme.
Une préforme est un tube en verre possédant les propriétés géométriques et optiques
qui devront être celles de la fibre in fine. De chaque préforme naîtra une centaine de
kilomètres de fibre optique.
La préforme est l'image de la fibre optique (coefficient 320)
Obtention de préformes en verres à composants multiples
barreau dans le tube
double creuset
Méthode d'oxydation en phase vapeur (CVD)
Préforme à gradient d'indice
distribution du germanium par
imagerie X
Le fibrage
T° constante = 2100 °C
précision : 0.5 µm
Le fibrage
vitesse de fibrage : de 80 à 120 m / min
Fibres optiques plastiques
Autre solution : verre + plastique
A = 10 dB / km
Fibres à maintient de polarisation
Fibres à cristaux photoniques
Les câbles à fibres optiques
•
Câble monofibre
–
•
La fibre est placée dans un tube de 900 microns de diamètre en
gel de silicone puis renforts kevlar / plastique
Câbles à structure serrée
Ces câbles sont un assemblage de
câbles monofibre autour d ’un renfort
central
•
Câbles à structure libre ou tubée
Une ou plusieurs
fibres nues sont
placées dans un
tube extrudé
Les câbles à fibres optiques
Structure en jonc rainuré :
L ’élément central est un jonc cylindrique
rainuré en plastique extrudé autour d ’un
porteur central en fils d ’acier torsadés.
Chaque jonc peut avoir 5 à 12 rainures et
chaque rainure peut contenir une ou plusieurs
fibres. Par assemblage de joncs, on peut
fabriquer des câbles contenant jusqu ’à 1000
fibres.
Prix des composants
Fibres optiques, catalogue général électronique 2005 :
plastique diam 1 mm, gaine 2.2 mm, indice = 1.492, 150 dB/km @650 nm
175 € / 100m
Silice à gradient d'indice, diam gaine ext = 2.8 mm
rayon de courbure dynamique : 50 mm
rayon de courbure statique : 30 mm
50/125, BP > 350 MHz.km : 280 € pour 100 m
62.5/125, BP > 160 MHz.km : 290 € pour 100 m
Module Laser @ 670 nm (fibres plastiques)
1 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 17.60 € TTC
5 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 18.60 € TTC
durée de vie : 50000 H
diamètre spot : 10 mm à 30 m