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Les Ondes Optiques

Les Ondes Optiques. Riad Haïdar. ONERA Département d’Optique Théorique et Appliquée. l = 100 mm f = 3 GHz. l = 1 mm f = 300 GHz. RADIO FREQUENCIES. MICRO WAVES. OPTICAL FREQUENCIES. Propagation : optical fibers. The ElectroMagnetic Spectrum. Fiber propagation. n 1 > n 2. n 2.

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Les Ondes Optiques

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Presentation Transcript

  1. Les Ondes Optiques Riad Haïdar ONERA Département d’Optique Théorique et Appliquée

  2. l = 100 mm f = 3 GHz l = 1 mm f = 300 GHz RADIO FREQUENCIES MICRO WAVES OPTICAL FREQUENCIES Propagation : optical fibers The ElectroMagnetic Spectrum

  3. Fiber propagation n1 > n2 n2

  4. n2<n1 2 n2<n1 n2<n1 2 1 1 1= c 1 >c 1 c n1 n1 n1 Snell’s law Critical angle Total internal reflection Reflection & Refraction

  5. 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.

  6. z=0 z=L Attenuation z=0 z=L Dispersion Fiber performance

  7. 1000 CVD (Chemical Vapor Deposition) 100 Attenuation (dB/km) 10 • 20 dB/km (Corning) 1 0.16 dB/km 0.1 1960 1970 1980 1990 2000 Optical attenuation in glass

  8. Rayleigh scattering IR band edge 1.5 UV absorption 1.0 Attenuation (dB/km) 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) Fiber attenuation (SiO2)

  9. Détection de lumière Détection de lumière electric arc Light detection Light detection Light insertion Micro Positioning Micro Positioning Other Fiber losses (1) Épissure : fusion bout à bout de deux fibres. >> Pertes typiques de 0,05 dB sur les fibres standard télécoms.

  10. longitudinal D radial d angular q cores ellipticity cores misaligning Other Fiber losses (1)

  11. 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.

  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.

  13. 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 qm correspond un groupe de rayons >> on parle de « mode ». Chaque mode est caractérisé par sa vitesse de phase VP liée à l'angle qm par : >> Il y a autant d'inclinaisons que de modes.

  14. 2 1 0 waveguide d m=0 m=1 m=2 Modes & Rays

  15. d 0 1 2 a Mode intensity profiles • Optical modes: Planar: Single-mode if V   Fiber: Single-mode if V  2.405 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) for large values of V

  17. Critical angle: Multimode fiber Maximum entrance angle: n0 n0 n2 0 c n1 Numerical aperture: Numerical Aperture

  18. Numerical Aperture

  19. 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 c n1 n2 t Dispersion (intermodal)

  21. L n1 n2 t Dispersion (chromatic) • Deux longueurs d’onde l1 et l2 voyagent à des vitesses différentes Bonne nouvelle : La dispersion s'annule vers 1300nm.

  22. Dispersion in numbers

  23. Multi saut d’indice Multi gradient d’indice Monomode Dispersion and frequency Attenuation (dB/km) 100 Coaxial 10 1000 1 freq (MHz)

  24. 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.

  25. 150 Tbits/s 15 THz B.P. 10 Bits/s/Hz Efficacité 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 Objectif à long terme : 150 Tbits/s

  26. SM Single-Mode MM-SI Multi-Mode Step Index MM-GI Multi-Mode Graded Index Fiber types refractive index

  27. Fiber classification (1) MM-SI: Multi Mode - Step Index fiber 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

  28. Fiber classification (2) MM-GI: Multi Mode - Graded Index fiber 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

  29. Fiber classification (3) SM-SI: Single Mode - Step Index fiber 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

  30. 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)

  31. G.655 1430 Today Fibers Dispersion (ps/nm/km) G.652 +20 0 G.653 SMF -20 SDF wavelength (nm) 1550 1300

  32. Silica fibers – preform fabrication preform Gases in O2, He SiCl4 GeCl4 BBr3 POCl3 Silica tube Heating ring furnace Gases out Deposit Diameter control Polymer coating solution Polymer curing Modified chemical vapor deposition for preform fabrication Take-up reel Pulling drive Pulling machine

  33. 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

  34. 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

  35. Miroirs semi-réfléchissants Lumière cohérente + p n – 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

  36. Light Sources Les Sources Accordables Caractéristiques des lasers utilisés dans les télécoms

  37. modulation P (t) l (t) i(t) LASER Light Modulation La modulation interne • 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 !

  38. modulateur P(t) l 0 P0 l0 LASER Light Modulation La modulation externe • La diode émet en continu, on place un obturateur en sortie • Limite électronique : 10 Gbits/s

  39. 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

  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. Fibre optique l Multiplexeur/démultiplexeur électronique Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur) Electronic Multiplexing Les réseaux optiques « classiques » sont bridés en débit : 2 Gbits/s

  42. Fibre optique S l Multiplexeur/démultiplexeur électronique Conversion électronique/optique (laser) ou optique/électronique (détecteur) Demux/Mux optique Wavelength Division Multiplexing WDM La solution : on combine Mux/Demux électronique et optique n xl n x 2 Gbits/s

  43. 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

  44. Puissance Puissance l1 l2 l3 l1 l2 l3 fréquence fréquence Fibre dopée à l ’erbium Signal amplifié + bruit Signal Lentille de couplage Courant de pompage Diode laser Amplificateurs Optiques EDFA (erbium doped fiber amplifier)

  45. Énergie État excité État instable Émission stimulée à l0 État d’équilibre Pompage direct l = 1,48 µm Pompage indirect l = 0,98 µm EDFA (erbium doped fiber amplifier)

  46. Atténuation (dB/km) 25 THz 5 THz Amplification 3 THz 0,4 0,18 1300 1550 1430 Longueur d’onde (nm) EDFA (erbium doped fiber amplifier) courbe de gain

  47. 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

  48. Puissance Puissance l l Courant de pompage fréquence fréquence Diode laser Lentille de focalisation + traitement anti-reflet Amplificateur à semi-conducteur SCOA Conversion électro-optique

  49. Amplificateurs Optiques PDFFA : praseodynium doped fluroide fiber amplifier

  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:  electrical dB = 2 x optical dB

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