La fibre optique : le guide optique aux multiples facettes

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1 La fibre optique : le guide optique aux multiples facettes Thierry Chartier Laboratoire CNRS Foton Université de Rennes 1, Enssat Lannion thierry.chartier@enssat.fr Les journées de l Optique 2012, octobre, Cargèse 18/10/2012

2 Le Laboratoire Foton 2 UMR CNRS 6082 «FOTON» Fonctions Optiques pour les Technologies de l information Directeur : Pascal Besnard Brest Lannion Rennes ٥ Télécommunications optiques : de l atome aux systèmes ٥ Sciences et technologies de l information et de la communication (capteurs, santé, nanosciences, lasers à fibre)

3 La fibre optique 3 Gaine de protection ~ 250 µm polymère n 1 > n 2 Gaine optique ~ 125 µm Verre d indice n 2 Cœur ~ 9 µm Verre d indice n 1 Principe de réflexion totale La lumière est injectée dans le cœur et reste confiné dans le cœur

4 Plan 4 ٥ Historique des fibres optiques ٥ Applications télécom ٥ Applications laser ٥ Fibres optiques spéciales

5 La fontaine lumineuse de Colladon D. Colladon: Sur les réflexions d un rayon de lumière à l intérieur d une veine liquide parabolique, Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'académie des sciences, 15 (Oct. 24), s , (1842).

6 Fibroscope 6 Nature 173, 39 (2 January 1954) 1954 A Flexible Fibrescope, using Static Scanning H. H.HOPKINS&N. S.KAPANY Department of Physics, Imperial College of Science and Technology, London, S.W.7. Nov. 22. AN optical unit has been devised which will convey optical images along a flexible axis. The unit comprises a bundle of fibresof glass, or other transparent material, and it therefore appears appropriate to introduce the term 'fibrescope' to denote it. Basil Hirschowitzexamining a patient with the fiberscope. 1957

7 L article fondateur de Kao Démonstration que les pertes des fibres peuvent être fortement améliorée en utilisant un matériau plus purifié 2009

8 40 ans de réduction des pertes : 1000dB/km 1965/ : Article de Kao 1969: Nippon Electric Companyannonce 200dB/kmen utilisant des fibres gradient d indice selfoc. 1970: Corning développe la technique CVD et fabrique une fibre monomode avec des pertes de 17 db/kmà633 nm (coeurdopétitane). 1972: Corning fabrique de la fibre avec un coeurdopégermanium de 4dB/kmtout en étant moins fragile que les fibres dopées Titane. 1974: 1,1dB/kmà1020nm est atteint par les Bell labsavec une préforme réalisée par MCVD. 1976: Fujikura démontre 0,47dB/km à 1200nm avec une fibre low OH. 1978: NTT fabrique des fibres ayant des pertes de 0,2dB/km à 1550nm. 1986: Sumitomo atteint 0,154dB/km avec une fibre cœur silice pure 2004: Nouveau record de Sumitomo à 0,1484dB/km à 1570nm 2005: Blaze Photonicset l universitéde Bath posent les bases théoriques pour s approcher de la valeur symbolique des 0,1 db/kmà1900nm en utilisant des fibres à cœur creux.

9 Plan 9 ٥ Historique des fibres optiques ٥ Applications télécom ٥ Applications laser ٥ Fibres optiques spéciales

10 La fréquence porteuse est très élevée 10 1,55 µm 0.8 ev Bande passante très importante

11 La longueur d onde est petite 11 Laser Fibre optique Laser f = 200 THz λ = 1.5 µm détecteur Fibre optique Quelques microns

12 Transmission optique numérique haut-débit 12 f = Hz Laser à λ 1 Laser à λ 2 Laser à λ n... données électriques modulateurs ~ ~ ~ multiplexeur amplificateurs optiques 100 km démultiplexeur detecteurs... données électriques f = 10 Gbit/s Exemple de capacité d une liaison = Gbit/s = 1 Tbit/s Records labo 2012 : 1 Pbit/s (ECOC 2012)

13 La toile se tisse en fibre optique 13

14 La recherche 14 ٥ Nouveaux formats de modulation ٥ DPSK, POL-MUX, QAM, OFDM ٥ Augmenter l efficacité spectrale ٥ Traitement tout-optique du signal ٥ Conversion de λ, démultiplexage, échantillonnage ٥ éviter les conversion O/E/O ٥ Fibres multimodes/ multicores

15 Le réseau d accès optique fiber-to-the-home 15 ٥ Remplacer les dernier kilomètres de cuivre par de la fibre optique

16 Réseaux d accès FTTH 16 Débit chez l abonné: 100 Mbit/s à 1 Gbit/s (Japon, Corée du Sud)

17 Plan 17 ٥ Historique des fibres optiques ٥ Applications télécom ٥ Applications laser ٥ Fibres optiques spéciales

18 Amplificateur à fibre dopée erbium 18 entrée signal 1.55 µm Pompe 980 nm fibre dopée erbium sortie signal 1.55 µm isolateur mux mux 4 I 11/2-45 Courant de la diode croissant de 20 à 110 ma 980 nm 1.55 µm 4 I 13/2 puissance (dbm) par saut de 10 ma 4 I 15/ λ (µm)

19 Puissance des lasers à fibre 19 La technologie simple gaine Diode laser monomode Faisceau pompe Cœur monomode dopé (Er, Nd, Yb, Ho, Tm, Pr, ) Gaine Objectif Emission spontanée amplifiée Lentille(s) Objectif Fibre simple gaine La nécessité d avoir un faisceau de sortie monomode implique de pomper avec une diode monomode Diodes laser monomodes qq 100 mw

20 La technologie double gaine 20 Deuxième gaine Cœur dopé Première gaine µm µm 7 µm n c n g1 n g2 Direction radiale Indice de réfraction Injection longitudinale dans une fibre double gaine Diode laser multimode Faisceau pompe Première gaine Deuxième gaine Emission spontanée amplifiée Puissances de plusieurs dizaines de Watts lentille lentille Cœur dopé

21 Schéma d un laser à fibre de puissance 21 Faisceau monomode Puissance faible Fibre amplificatrice Fibre de transport Emission à 1064 nm Oscillateur à 1064 nm Diode de pompe à 980 nm Puissance forte Faisceau monomode Puissance forte Faisceau multimode

22 Plus de 10 kw! 22

23 Applications industrielles 23 ٥ Usinage ٥ Micro-usinage ٥ Gravure ٥ Soudure ٥ Etc.

24 Plan 24 ٥ Historique des fibres optiques ٥ Applications télécom ٥ Applications laser ٥ Fibres optiques spéciales

25 Les fibres optiques non-linéaires 25 ٥ Le coefficient Kerr est donnépar : γ = 2πn 2 /λa eff Coefficient Indice non- Longueur Aire Kerr linéaire d onde effective ٥ Fibre silice saut d indice SMF28 ٥ n 2 = 2, m 2 /W ٥ A eff ~ 80 µm 2 ٥ γ~ 1,3 W -1 km -1 Déphasage non-linaire : γpl Pour augmenter γ ٥ Augmenter n 2 ٥ Diminuer A eff

26 Diminuer A eff 26 ٥ Fibres àsaut d indice ٥ A eff ~ 9 µm 2 ٥ γ~ 20 W -1 km -1 = 0,93% = 0,5% ٥ Fibres microstructurées ٥ A eff ~ 1,7 µm 2 ٥ γ~ 60 W -1 km -1

27 Augmenter n 2 27 ٥ Verre au plomb ٥ n 2 = m 2 /W ٥ 15 fois la silice ٥ Verre bismuth ٥ n 2 = m 2 /W ٥ 38 fois la silice ٥ Verre chalcogénure ٥ n 2 = 1, m 2 /W ٥ 500 fois la silice

28 Vers les fibres les plus non-linéaires 28 ٥ Fibres microstructurées + verre de chalcogénure γ = W -1 km fois la SMF28

29 Fibre microstructurée en chalcogénure 29 GeAsSe φ L = 1 m φ = 1.4 µm L Coupling with microlensed fibres coupling loss < 1 db. Microlensed fibre GeAsSe fibre 4.8 µm

30 Conversion de longueur d onde tout optique Gb/s RZ-DQPSK PRBS Mélange à quatre ondes GeAsSe fibre 1 nm CW laser Gbit/s DQPSK CW pump Total power: 45 mw ٥24 mw of CW pump ٥21 mw of signal Intensity (a.u.) Wavelength (nm) Converted signal

31 Démultiplexage temporel tout optique Gb/s RZ OOK Données à 42.7 Gbit/s (1 train sur 4) GeAsSe fibre 1 nm Intensity (u.a.) Gb/s demux 42.7 GHz clock Wavelength (nm) Total power: 56 mw ٥32 mw of CW pump ٥24 mw of signal

32 32 Merci pour votre attention