Communication par fibre optique: des Romains a nos jours. Camille-Sophie Brès Section Génie Electrique et Electronique

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1 Communication par fibre optique: des Romains a nos jours Camille-Sophie Brès Section Génie Electrique et Electronique

2 Incroyable mais vrai. la fibre optique! Aussi mince qu un cheveu mais tres resistante Petite taille et petit poid Transparente et rapide L information se deplace a ~2 e 8 m/s Tres faible attenuation (0.1dB/km) Peut etre utilisee sur des tres longues distances Tres large bande passante (25 THz) Enormement d information Sécurité électrique : isolation entre terminaux, insensible et non génératrice de parasites. Au cœur de presque tous les systèmes de telecommunication!

3 Un peu d histoire Chez les Romains: Decorations faites de verre 1790s: Chappe inventent le telegraphe optique 1840s: Colladon montre le guidage de la lumiere 1880s: Bell invente le photophone : Glass rods pour illumination 1930: Lamm transmet une image dans un fiber bundle 1950: van Heel et Hopkins inventent le fibroscope flexible 1960: le laser! 1964: Kao décrit un systeme de communication par fibre optique 1970: premiere fibre (corning) avec perte suffisamment faible pour etre utilisable 1977: premier système de communication téléphonique optique installé à Chicago De nos jours : Plus de 25 millions de km de fibre optique installés dans le monde

4 5 générations de systèmes optiques 0.8 µm systems (1980) 45Mbps, 10km, MMF, InGas 1.3 µm systems (1985) 1.7Gbps, 50km, SMF, InGaAsP 1.5 µm systems (1990) 2.5Gbps, 100km, SM laser WDM systems (1996) Tbps, amplificateurs optiques L and S bands (2002) Amplification Raman (from G.P. Agrawal) Laser (1958) Townes, Basov, Prokhorov (1964 Nobel prize) Optical fiber (1964) Charles Kao (2009 Nobel prize)

5 La loi de Snell-Descartes Exprime le changement de direction d'un faisceau lumineux lors de la traversée d'une paroi, séparant deux milieux différents n ( θ ) = n ( θ ) 1sin 1 2sin 2 normal Medium 1 (n 1 >n 2 ) θ 1 θ 2 Medium 2 (n 2 <n 1 )

6 Reflexion totale interne Medium 1 (n 1 ) au Medium 2 (n 2 ), n 1 > n 2 bending away from the normal normal Medium 1 (n 1 >n 2 ) θ C ( ) θ C sin = n n 2 1 Medium 2 (n 2 <n 1 ) A l angle critique θ C lumiere de n 1 > n 2 est refracte a 90 Au dela de cet angle critique θ IN > θ C toute la lumiere est reflechie Reflexion totale interne (TIR)

7 Structure de la fibre optique um 125 um um COEUR Fibre multimode PROTECTION GAINE Guide la lumiere Reflexion totale interne n2 n1 Mechanique et flexibilite α 0 NA n sin 2 2 ( α ) = n n 2 Fibre monomode 2π V = a NA λ

8 Attenuation de la lumière (1) Absorption de la silice (material absorption) Transitions electroniques (UV), résonnance vibrationnelle (IR) Impurités Le verre n est plus transparente au dela de 2 um Diffusion Rayleigh (Rayleigh scattering) α r = 1/λ 4 Fluctuations de la densité Imperfection de la fibre (waveguide imperfections) 1% signifie 0.03 db/km Microbending : imperfection de fabrication Macrobending : rayon de courbure 5mm 8

9 Attenuation de la lumière (2) Transmission windows OH absorption peak 12 THz 15 THz 0.2 Waveguide imperfections

10 Dispersion Origine: l indice de refraction depend de la frequence n(ω) Constante de propagation β(ω) = n(ω)ω/c = β 0 + β 1 (ω ω 0 ) + β 2 (ω ω 0 ) 2 + (frequence centrale ω 0 ) β n = (d m β/dω m ), β 1 =1/v g et D=-λ 2 /2πc x β 2 Temps de transit dans une fibre de longueur L est: T = L/v g = β 1 L. Dans un milieu dispersif, chaque longueur d'onde se propage à une vitesse différent Une impulsion subit un élargissement temporel!

11 Dispersion chromatique Selon le signe de D on distingue deux types de régime: lorsque D < 0, on parle de dispersion normale les composantes spectrales rouges voyagent alors plus vite que les bleues lorsque D > 0, on parle de dispersion anormale les composantes spectrales bleues voyagent plus vite que les rouges.

12 Defis des réseaux Attenuation. Amplification optique Dispersion. Regeneration OEO Regeneration tout optique Modulation Utilisation des réseaux Augmenter la capacité de chaque canal: OTDM PDM etc Augmenter le nombre de canaux: WDM Multiplexage statistique: plusieurs fibres optiques

13 Multiplexage temporel (OTDM) Offrir à un utilisateur à la fois, la totalité de la bande passante pendant un court instant. L'allocation se fait en divisant l'axe du temps en intervalles (τ) Utilisateur N transmet que pendant son intervalle de temps τ n 1: 2: 3: τ 1 τ 2 τ 3 τ 1 τ 2 τ 3...

14 Multiplexage temporel (OTDM) 40 Gb/s 1 utilisateur 640 Gb/s transmitter 0.1nm MZM PM EDFA 2 7 nm EDFA 1 SMF 1 HNLF 1 EDFA 3 0.1nm W D M HNLF2 80 Gb/s - 2 utilisateurs 40GHz Delay 7 nmedfa 5 EDFA 4 1:8 BRM DCF 40Gb/s PRBS 160 Gb/s - 4 utilisateurs 640 Gb/s receiver Delay Noise VOA 50% 50% EDFA 7 0.1nm PM MZM LD 7 nm HNLF 3 SMF 2 Delay EDFA 6 Phase tracker Clock recovery PD PD PLL 40GHz PD 40GHz EDFA EDFA 8 50% 9 10% WDM WDM PD BERT HNLF 50% 90% 4 2nm 320 Gb/s - 8 utilisateurs 640 Gb/s - 16 utilisateurs

15 Format de modulation Représenté dans un diagramme de constellation I et Q Amplitude Phase Q Q Q Q I I I I OOK PSK QPSK 16 QAM Plus de bits d information par symbole

16 Multiplexage par longueur d onde: WDM Faire passer plusieurs signaux de longeur d onde differentes sur une seule fibre optique Tx1 Tx2 Multiplexage De-Multiplexage Rx1 Rx2 Utilisateur N est attribué une longueur d onde λ N Tx3 Tx4 Rx3 Rx4 Avantages: Désavantages Utilisation de la bande passante Transmission a haute capacité sur une fibre Utilisateurs a la vitesse électronique Vitesse pour changer de longeur d onde Limitations imposés par les effets nonlinéaires Controle du réseau Solution a l utilisation des réseaux: OTDM+ WDM+ modulation 2011: Tb/s (370 x 294 Gb/s PDM 128QAM ODFM)

17 Guide de lumière Step-index fiber Fibre silice, Plastic cladded silica (PCS) Polymer optical fiber (POF) Graded index fiber Fibres photoniques (PCF) High index core Photonic bandgap fiber (SEM of US NRL produced PCFs) Photonique intégrée Silicon photonics

18 Effets nonlinéaires Relation entre excitation d un milieu et la réponse de ce milieu Onde électromagnétique Guide d onde Formation d un pôle positif et un negatif: polarization du milieu Linear susceptibility tensor 2nd order nonlinear susceptibility tensor 3rd order nonlinear susceptibility tensor La réponse à la somme de 2 champs électriques n est pas la somme des réponses individuelles.

19 Coefficient de nonlinéarité γ = 2 λ π A n 2 eff Materiau Guide d onde 4 Refractive Index Difference, % HNLF SMF Transversal Coordinate, µm SMF: 1.3 W -1 km -1 ; HNLF: 20 W -1 km -1 ; PCF and silicon waveguide > 2000 W -1 km -1

20 Modification de la dispersion Core 100 Dispersion (ps/km-nm) Wavelength (nm) Refractive index n Waveguide Si Buried oxide SiO 2 1µm >1µm Increasing waveguide width Substrate Si 3µm

21 Applications (1) Amplification One Pump Amplifier Gain (db) L = 150 m λ Pump = nm Conjugaison de phase Propagation λ nm Signal wavelength (nm) 640 Gb/s D D Propagation L = 100km Tx A* Rx

22 Applications (2) Translation / Replication Wavelength multicasting Echantillonnage Parametrique (ADC) Signal (Analog) Pump x Mixer Idler

23 Conclusion La fibre optique au centre de la communication moderne Plus loin Plus vite Plus flexible Recherche dynamique et variée Modulation Transmission Nouvelles fibres et guides d onde Optique fibrée nonlinéaire et traitement de signaux. le futur: réseaux de communication tout optique?