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Frédéric Audo Directeurs de thèse : Jean Le Bihan et André Pérennou Lab-STICC, UMR CNRS 6285, ENIB

Opto-alimentation et transmission de données par fibre optique pour les observatoires de fond de mer. Frédéric Audo Directeurs de thèse : Jean Le Bihan et André Pérennou Lab-STICC, UMR CNRS 6285, ENIB. Plan. Contexte Observation des fonds marins Projet Opto-alimentation

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Frédéric Audo Directeurs de thèse : Jean Le Bihan et André Pérennou Lab-STICC, UMR CNRS 6285, ENIB

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  1. Opto-alimentation et transmission de données par fibre optique pour les observatoires de fond de mer Frédéric Audo Directeurs de thèse : Jean Le Bihan et André Pérennou Lab-STICC, UMR CNRS 6285, ENIB

  2. Plan • Contexte • Observation des fonds marins • Projet Opto-alimentation • Architecture du dispositif expérimental • Modélisation des phénomènes optiques • Caractérisation en régime statique • Caractérisation en régime dynamique • Conclusion et perspectives • Contexte • Architecture du dispositif expérimental • Modélisation des phénomènes optiques • Caractérisation en régime statique • Caractérisation en régime dynamique • Conclusion et perspectives

  3. Observation des fonds marins • Nécessité d’observer, de surveiller et de comprendre les comportements des océans et notamment les fonds marins • Observatoires de fond de mer* : « un système sans équipage à un site fixe, d’instruments, de capteurs, et de modules de commandes connectés au continent soit de façon acoustique, ou via une boîte de jonction sous-marine liée à une bouée à la surface ou à un câble de fibre optique » • 3 types d’observatoires de fond de merselon le mode de communication : • Autonome • À liaison acoustique • Câblé * [NRC 2000] National Research Council, Illuminating the hidden planet: the future of seafloor observatory science. Washington DC, Washington : The National Academies Press, 2000, p. 135.

  4. Observatoires câblés de fond de mer : extension • Problèmes à résoudre : relocalisation ou extension d’un observatoire câblé dans une nouvelle zone d’intérêt • Solution envisagée : déployer une ou plusieurs fibres optiques pour transporter : • L’énergie nécessaire à l’alimentation de l’instrument • Les données échangées entre la station terrestre et l’instrument

  5. Projet Opto-alimentationétendre un observatoire câblé • Architecture de l’extension tout-optique Coût des connecteurs sous-marins : onéreux => 1 seule fibre optique BJ : Boîte de Jonction I : Instrument

  6. Projet Opto-alimentationétendre un observatoire câblé • Cahier des charges du projet • Dispositif long de 10 km • Utilisation de composants optiques "standards" • Puissance et données transmises ensemble sur une seule fibre optique • Puissance électrique de quelques centaines de mW sur l'instrument • Transmission des données • bidirectionnelle • temps réel • débit d’au moins 5 Mbit/s

  7. Projet Opto-alimentation • Objectif du projet : réaliser une extension d’un observatoire câblé de fond de mer • Étude de la liaison optique : énergie + données • Conception d'un système de communication faiblement consommant • Marinisation et test in-situ d’un démonstrateur • Objectif de la thèse : évaluer la faisabilité et les limites de la liaison tout-optique • Conception et mise en place d’un dispositif expérimental • Étude et modélisation des phénomènes optiques • Caractérisation expérimentale

  8. Projet Opto-alimentation • État de l’art de la puissance sur fibre

  9. Plan • Contexte • Architecture du dispositif expérimental • Architecture générale • Conversion E/O • Bilan de liaison • Conversion O/E • Modélisation des phénomènes optiques • Caractérisation en régime statique • Caractérisation en régime dynamique • Conclusion et perspectives

  10. Architecture générale • Schéma de l’extension • Transmission de 3 ondes dans une fibre optique : • Puissance • Données descendantes • Données montantes (source laser faiblement consommante) Sens descendant Sens montant

  11. Architecture générale • Choix de la fibre optique : monomode SMF-28 • Choix de la longueur d’onde du laser de puissance • Choix de la longueur d’onde des données : bande C -> 1550 nm • Choix de la puissance du laser de puissance : qq centaines de mW électrique => supérieure à 5 W optique (37 dBm) : 1480 nm

  12. Architecture du dispositif expérimental Sens descendant Sens montant

  13. Conversion E/O • Source laser à fibre à amplification Raman (Keopsys) • Puissance optique maximale : 10 W (40 dBm) • Longueur d’onde : 1480 nm • Sources laser DFB • Puissance optique maximale : 30 mW (15 dBm) • Longueur d’onde : bande C -> 1550 nm

  14. Bilan de liaison • Estimation du bilan de liaison : • Données descendantes à 1550 nm : -4,1 dB • Données montantes à 1550 nm : -4,7 dB • Puissance à 1480 nm : -3,4 dB 26,6 à 32,6 dBm -2,8 dB -2,2 dB 30 à 36 dBm -2,2 dB -0,2 dB -0,3 dB -0,3 dB -0,3 dB -0,2 dB -0,3 dB -0,7 dB -0,7 dB -0,6 dB -1,4 dB

  15. Conversion O/E • Conversion O/E de la puissance : cellule photovoltaïque de puissance (PPC, JDSU) • Sensibilité en longueur d’onde : large bande (1470 – 1620 nm) • Rendement de conversion O/E maximal : ̴ 25% • Puissance électrique maximale : ̴ 100 mW • Caractérisation de la PPC Puissance optique incidente prévue entre 26 et 32 dBm

  16. Conversion O/E • Module de conversion O/E • Choix : couplage de 6 dB = 4 voies • Changement de l’architecture au niveau du terminal • Impact sur le bilan de liaison des données : • Données descendantes à 1550 nm : -10,4 dB • Données montantes à 1550 nm : -11 dB

  17. Plan • Contexte • Architecture du dispositif expérimental • Modélisation des phénomènes optiques • Principaux phénomènes optiques • Modélisation de la propagation dans la fibre • Caractérisation en régime statique • Caractérisation en régime dynamique • Conclusion et perspectives

  18. Principaux phénomènes optiques • Phénomènes optiques causés par : • Superposition de plusieurs ondes dans la même fibre optique • Propagation de la forte puissance • Diffusion Rayleigh Phénomène linéaire dû aux inhomogénéités de la silice • Diffusion Raman Phénomène non-linéaire : interaction photon – phonon optique • Diffusion spontanée -> génération de bruit • Diffusion stimulée -> utilisée pour l’amplification • ASE : diffusion spontanée amplifiée • Diffusion Brillouin Phénomène non-linéaire : interaction photon – phonon acoustique

  19. Principaux phénomènes optiques • Représentation spectrale (cas d'une SMF-28) Génération de l’ASE : diffusion Raman spontanée amplifiée

  20. Modélisation • But : prédire l’impact des phénomènes lors de la propagation • Mise en équations des phénomènes -> propagation dans la fibre • Ondes à considérer : • Puissance à 1480 nm • Données descendantes et montantes à 1550 nm • ASE autour de 1583 nm • Calcul des puissances en sortie de la fibre

  21. Modélisation • Diffusion Brillouin (pour chaque onde) • Diffusion Raman : transfert de puissance par diffusion stimulée • Rétrodiffusion Rayleigh (pour chaque onde) • Onde diffusée contra-propagative • Décalage de ~ 0,1 nm (négligeable) • Réflexions au sein de la fibre= rétrodiffusion Rayleigh • Amplification par diffusion Raman • Superposition de la double rétrodiffusion et du signal transmis

  22. Modélisation • Exemple : équations des données descendantes et montantes Amplification Raman et diffusion Raman spontanée de la SLHP atténuation Double rétrodiffusion Rayleigh Déplétion Raman vers l’ASE Déplétion Brillouin Amplification Raman et diffusion Raman spontanée de la SLHP atténuation Déplétion Raman vers l’ASE Diffusion Brillouin stimulée et spontanée Simple rétrodiffusion Rayleigh

  23. Modélisation • Calcul du coefficient de gain Raman gR • Modèle de D. Hollenbeck • gR Max proportionnel à λStokes • Cas de notre dispositif : fStokes 1550 nm 1583 nm 1583 nm • λ Pompe = 1550 nm • λ Pompe = 1480 nm

  24. Modélisation • Conditions initiales Mesures expérimentales Longueur de la fibre optique : LFibre = 10 kmLongueur du pas : dz = 1 m Diffusion Raman : décalage Stokes de la puissance à 1480 nm autour de 1583 nm Sortie de la SLHP Sortie du laser de données PSLHP = 30 dBm PSLHP = 33 dBm PSLHP = 36 dBm PDonnées = 0 dBm

  25. Modélisation : propagation dans la fibre • Évolution des niveaux de puissance en sortie de la fibre en fonction dela puissance de la SLHP • 1480 nm : transfert de puissance autour de 1583 nm • 1583 nm : transfert de puissance de 1480 nm • 1550 nm co- et contra-propagatifs : • Amplification Raman et diminution de la «réserve» d’énergie à 1480 nm • Transfert d’énergie vers l’ASE • ASE • Puissance • Données descendantes PSLHP = 30 dBm à 36 dBm P1550 nm desc. = 0 dBm P1550 nm mont. = -3 dBm • Données montantes • Résultats du modèle : • Amplification des données -> compensation des pertes et de l’atténuation • ASE autour de 1583 nm -> filtrage au niveau de la réception des données • Déplétion de la puissance de 1480 nm par transfert d’énergie vers l’ASE autour de 1583 nm

  26. Plan • Contexte • Architecture du dispositif expérimental • Modélisation des phénomènes optiques • Caractérisation en régime statique • Dispositif expérimental • Transport de la puissance • Superposition de la puissance et des données échangées • Caractérisation en régime dynamique • Conclusion et perspectives

  27. Dispositif expérimental AP AD BM BD AM Mesures Radiomètre Analyseur de spectre optique Ajout de deux coupleurs 95/5 B

  28. Transport de la puissance • Dispositif expérimental Objectifs : • Étude en fonction de la puissance de la SLHP • Étude de la conversion O/E de la puissance AP Module de conversion O/E B

  29. Transport de la puissance • Étude en fonction de la puissance de la SLHP PSLHP = 33 dBm PSLHP = 30 dBm PSLHP = 36 dBm Sortie du laser de puissance (point AP) Sortie du laser de puissance (point AP) Sortie du laser de puissance (point AP) Sortie de la fibre optique de 10 km (point B) Sortie de la fibre optique de 10 km (point B) Sortie de la fibre optique de 10 km (point B) Bilan fibre et composants Estimation -3,9 dB @ 1480 nm Mesures-4 dB @ 1480 nm Bilan fibre et composants Mesures-16,6 dB @ 1480 nm+13,7 dB @ 1583 nm Bilan fibre et composants Mesures-3,9 dB @ 1480 nm Décalage Stokes en sortie de la SLHP Diminution de la puissance à 1480 nm Décalage Stokes de la puissance autour de 1583 nm : ASE Amplification de la puissance autour de 1583 nm

  30. Transport de la puissance : conversion O/E • 3 montages d’association des PPC • Série • Parallèle • Hybride série/parallèle • Rendement de conversion O/E et puissance électrique Efficacité des 3 montages similaires Le choix est conditionné par le niveau de tension électrique requis par le terminal

  31. Superposition de la puissance et des données échangées • Dispositif expérimental AD BD AM BM 0 dBm Objectifs • Étude de la propagation des données • Mesure de l’amplification des données -3 dBm Sourcelaser λ = 1551 nm

  32. Superposition de la puissance et des données échangées • Étude des données en fonction de la puissance de la SLHP Données descendantes en sortie(point BD) Données descendantes en sortie(point BD) Données descendantes en sortie(point BD) Données descendantes en sortie(point BD) Données descendantes en entrée(point AD) Données descendantes en entrée(point AD) Données descendantes en entrée(point AD) Données descendantes en entrée(point AD) • ASE • Amplification • Amplification • Amplification PSLHP = 33 dBm PSLHP = 36 dBm PSLHP = 30 dBm Données montantes en sortie(point BM) Données montantes en sortie(point BM) Données montantes en sortie(point BM) Données montantes en sortie(point BM) Données montantes en entrée(point AM) Données montantes en entrée(point AM) Données montantes en entrée(point AM) Données montantes en entrée(point AM) • ASE rétrodiffusée Bilan fibre et composants Mesures sans puissance -10,9 dB @ 1550 nm desc.-11,5 dB @ 1551 nm mont. Mesures avec puissance -0,6 dB @ 1550 nm desc. -0,6 dB @ 1551 nm mont. Bilan fibre et composants Mesures sans puissance -10,9 dB @ 1550 nm desc.-11,5 dB @ 1551 nm mont. Mesures avec puissance -2,7 dB @ 1550 nm desc. -2,1 dB @ 1551 nm mont. Bilan fibre et composants Mesures sans puissance -10,9 dB @ 1550 nm desc. -11,5 dB @ 1551 nm mont. Mesures avec puissance -5,3 dB @ 1550 nm desc. -5,3 dB @ 1551 nm mont. Bilan fibre et composants Estimation -10,9 dB @ 1550 nm desc.-11,5 dB @ 1551 nm mont. Mesures -10,5 dB @ 1550 nm desc. -10,8 dB @ 1551 nm mont. • Amplification • Amplification • Amplification

  33. Superposition de la puissance etdes données échangées • Bilan de liaison des données • Évolution du bilan de liaison similaire en co- et en contra-propagation • À partir de 25 dBm : amplification non négligeable • Entre 33 dBm et 35 dBm : compensation des pertes • À partir de 35 dBm : diminution de l’amplification

  34. Superposition de la puissance etdes données échangées • Comparaison modèle – mesures de l’évolution des niveaux de puissance en sortie de la fibre • Comportement similaire de l'évolution des puissances -> validation du modèle d'un point de vue qualitatif • ASE • Puissance • Légende • Mesures • Modèle • Données descendantes • Données montantes

  35. Synthèse de la caractérisation en régime statique • Transmission de la puissance et des données • Amplification Raman des données • Transfert de puissance de 1480 nm vers l’ASE autour de 1583 nm Compromis (PÉlectrique, GainDonnées, Rapport S/B)

  36. Plan • Contexte • Architecture du dispositif expérimental • Modélisation des phénomènes optiques • Caractérisation en régime statique • Caractérisation en régime dynamique • Dispositif expérimental • Qualification de la transmission des données • Conclusion et perspectives

  37. Dispositif expérimental Dispositif à tester

  38. Dispositif expérimental • Mesures • Taux d’erreur binaire (BER) • Diagramme de l’œil 0 mW 33 dBm 36 dBm PSLHP = Débit : 150 Mbit/s Taux de modulation : 0,5 -13 dBm max Mesure à -18 dBm

  39. Qualification de la transmission des données • Superposition de la puissance et des données échangées :BER et diagramme de l’œil • Ligne de base et système sans puissance : transmission correcte • Importante dégradation du signal en co-propagation Sens descendant (PSLHP=0 mW) (sortie BD) Sens descendant (PSLHP=36 dBm) (sortie BD) Sens descendant (PSLHP=33 dBm) (sortie BD) Sens montant (PSLHP=0 mW) (sortie BM) Sens montant (PSLHP=36 dBm) (sortie BM) Sens montant (PSLHP=33 dBm) (sortie BM) Ligne de base (entrée AD ou AM) Ligne de base (entrée AD ou AM) Ligne de base (entrée AD ou AM) BER = 3.10-6 BER < 1.10-10 BER < 1.10-10 BER < 1.10-10 BER = 1.10-1 BER = 1.10-8 BER < 1.10-10 BER < 1.10-10 BER < 1.10-10 • Dégradation de la qualité des données ->Transfert de RIN • Transfert du bruit de la pompe vers un signal, causé par la diffusion Raman • Transfert non-symétrique* • Transfert de RIN dépend de : gain Raman, longueur de la fibre, longueur d’onde des données * [Fludger 2001] C.R.S. Fludger, V. Handerek, et R.J. Mears, « Pump to Signal RIN Transfer in Raman Fiber Amplifiers », Journal of Lightwave Technology, vol. 19, no 8, pp. 1140–1148, 2001.

  40. Qualification de la transmission des données • Comparaison des mesures de BER Sens descendant (sortie BD) Sens montant (sortie BM) Sens descendant (sortie BD) Sens montant (sortie BM)

  41. Synthèse • Tableau de synthèse • Compromis (Pélectrique , GainDonnées , Rapport S/B, BER) Choix : PSLHP = 33 dBm • Consommation électrique de l’interface électronique : 145 mW au maximum

  42. Plan • Contexte • Architecture du dispositif expérimental • Modélisation des phénomènes optiques • Caractérisation en régime statique • Caractérisation en régime dynamique • Conclusion et perspectives

  43. Conclusion • Démonstration de la faisabilité d’une liaison tout-optique de 10 km • Transmission de la puissance et des données sur une seule fibre optique • PSLHP = 33 dBm Puissance électrique fournie : 160 mW Données bidirectionnelles (@ 150 Mbit/s) : BER < 10-7 • Caractérisation du dispositif et étude des phénomènes optiques • Transfert de puissance de 1480 nm vers l’ASE autour de 1583 nm • Amplification des données • Dégradation des données descendantes : transfert de RIN • Modélisation de la propagation des ondes optiques dans la fibre • Phénomènes : diffusions Rayleigh, Raman et Brillouin • Modèle validé qualitativement

  44. Perspectives • Minimisation du transfert de RIN • Réduction du gain Raman sur les données descendantes • Réduction de la puissance de la SLHP • Éloignement de λDonnées par rapport à λStokes • Amélioration du RIN de la SLHP • Optimisation de l’architecture du dispositif expérimental Terminal : Mux/Démux (2) adapté à l’ASE • Amélioration et exploitation du modèle pour analyser l'influence des différents paramètres (largeur de raie à 1480 nm, absence de l'ASE en sortie de la SLHP, etc.) • Application du dispositif à d’autres domaines Milieu hostile au câble électrique, réseau de capteurs opto-alimentés

  45. Merci de votre attention !

  46. Opto-alimentation et transmission de données par fibre optique pour les observatoires de fond de mer Frédéric Audo Directeurs de thèse : Jean Le Bihan et André Pérennou Lab-STICC, UMR CNRS 6285, ENIB

  47. Dispositif expérimental : composants • Multiplexeur/Démultiplexeur (Mux/Démux) • Combinaison ou séparation des ondes optiques de longueurs d’ondes différentes : la puissance et les données • Choix : 1475 – 1485 nm (puissance) 1545 – 1555 nm (données) Décalage Stokes à prendre en compte

  48. Conversion O/E • Module de conversion O/E • Choix : couplage de 6 dB = 4 voies • Changement de l’architecture au niveau du terminal -6,3 dB

  49. Dommages de la forte puissance • Brûlure de la fibre • Fibre optique sous torsion : absorption de la forte puissance • Exemple : brûlure si la fibre forme une boucle de moins de 1 cm de diamètre • Contamination d’un connecteur • Absorption de la puissance au niveau du connecteur si celui-ci est contaminé par un dépôt • 50 à 70% de pertes optiques supplémentaires Avant contamination Après contamination

  50. Direction de propagation de la fusion ~ 1m/sec Génération de la fusion (chauffe, contamination) Bulle Dommages de la forte puissance • Effet « fiber fuse » • Déclenchement et propagation de la fusion dans la fibre • Fibre optique monomode SMF-28 sous contrainte : Puissance de seuil = 1,35 W • Limitation de ce phénomène : épissures privilégiées aux connecteurs Direction de propagation du faisceau laser

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