Ecole Centrale d Electronique VA «Réseaux haut débit et multimédia» Novembre 2009

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1 Ecole Centrale d Electronique VA «Réseaux haut débit et multimédia» Novembre Les fibres optiques : caractéristiques et fabrication 2 Les composants optoélectroniques 3 Les amplificateurs optiques 4 Les systèmes multiplexés en longueur d onde 5 Normalisation et perspectives d évolution Jean-Jacques BERNARD OPTEL Formation Tél. : bernardjj@free.fr 1

2 Ecole Centrale d Electronique VA «Réseaux haut débit et multimédia» Novembre 2009 Première partie Les fibres optiques : Propagation, caractéristiques et technologie de fabrication Jean-Jacques BERNARD OPTEL Formation Tél. : bernardjj@free.fr 2

3 Sommaire de la première partie Les fibres optiques Notions de base Qu est-ce que la lumière? Signal analogique et signal numérique Débit et quantité d informations transmises Pourquoi l optique? Intérêts des fibres comparées aux câbles de cuivre et aux liaisons satellites Les fibres optiques Structure d une fibre Fibres multimodes et fibres monomodes Principales caractéristiques Technologies de fabrication 3

4 Quelques notions de base LA LUMIERE La lumière est une onde électromagnétique Vitesse de propagation dans le vide c = km/s Vitesse de propagation dans un matériau transparent v = c / n (n = indice de réfraction du matériau) Verre : n ~ 1.5 soit v ~ km/s Fréquence et longueur d onde f = c / (f en Hz, c en m/s, en m) Gamme de longueurs d onde utilisées dans les fibres optiques entre 0.8 µm et 1.7 µm ---> Proche Infra-rouge Gamme de fréquences correspondantes f = 175 à 375 THz (1 THz = 1000 GHz) 4

5 Quelques unités très utiles Longueur d onde (représente la couleur émise) Exprimée soit en µm (micromètre ou micron) soit en nm (nanomètre) 1 µm = 1 millionième de mètre 1 nm = 1 milliardième de mètre 1 µm = 1000 nm Autre unité : le pm (picomètre) = 1 millième de nanomètre La longueur d onde de la lumière utilisée dans les fibres est de l ordre de 1 µm (ou 1000 nm) Fréquence Exprimée en hertz (Hz). 1 Hz = 1 cycle par seconde 1 khz (kilohertz) = 1000 Hz 1 MHz (mégahertz) = 1 million de Hz 1 GHz (gigahertz) = 1 milliard de Hz 1 THz (térahertz) = 1000 GHz = 1000 milliards de Hz La fréquence de la lumière utilisée dans les fibres est de l ordre de 200 THz (ou GHz) 5

6 Nature des signaux transmis Signal analogique Amplitude proportionnelle à la grandeur à transmettre Puissance optique Temps Signal numérique : suite aléatoire de «1» et de «0» (train binaire) Exemple : Généralisé à tous les systèmes de transmission Puissance optique Temps 6

7 Signal numérique Caractéristiques d un signal numérique Bit (Binary Digit) = élément d information (1 ou 0) Niveau «1» = puissance optique maximum Niveau «0» = puissance optique minimum Débit numérique = nombre de bits/seconde Exemples : Signal téléphonique = 64 kbit/s Signal son qualité CD = 800 kbit/s Multiplex haut débit = 2.5 Gbit/s Conforme aux normes internationales SDH (Synchronous Digital Hierarchy) -> Europe/Asie SONET (Synchronous Optical NETwork) -> USA 7

8 Numérisation d un signal analogique Exemple : signal téléphonique (4 khz) On prélève un échantillon toutes les 125 µs (8 khz) Son amplitude correspond à un niveau parmi 256 (nombre total de combinaisons d un octet = 8 bits) On lui affecte la valeur de l octet (8 bits) correspondant Débit numérique : 8 bits/125 µs = 64 kbit/s Echantillons niveaux (2 8 ) 1 octet (8 bits) par échantillon Signal analogique Signal numérique 8

9 Débits numériques définis par les normes SDH et SONET Ces normes définissent des structures de trames SDH : STM-N (Synchronous Transport Module) avec N = 1, 4, 16, 64 SONET : OC-n (Optical Carrier) avec n = 3, 12, 48, SDH SONET Débit (Mbit/s) Nombre de voies téléphoniques STM-1 OC STM-4 OC STM-16 OC (2.5 Gbit/s) STM-64 OC (10 Gbit/s) STM-256 OC (40 Gbit/s) STM-1024 OC (160 Gbit/s)

10 Pourquoi l optique (1)? Limitations des lignes téléphoniques actuelles en cuivre Limite en distance de transmission Quelques kilomètres entre répéteurs ou entre centraux Limite en capacité de transmission (débit) Limitation due aux liaisons cuivre et aux modems actuels : environ 30 kbit/s moyens avec modem V90 (56 kbit/s max) 1 à 20 Mbit/s avec lignes ADSL, dépendant de la distance au central local Conséquence sur la vitesse d accès au réseau Temps moyen de téléchargement d un film HD (1080p) de 3 Go : 100 heures (plus de 8 jours!) avec modem V90 5 heures à 20 minutes avec lignes ADSL de haut débit (1 Mbit/s à 20 Mbit/s) => Transmission en temps réel de films HD impossible avec la technologie cuivre 10

11 Pourquoi l optique (2)? Comparaison avec les liaisons satellites Les transmissions par satellite géostationnaire sont pénalisées par le temps de propagation aller-retour d environ 250 ms Très gênant pour les liaisons téléphoniques Sérieux handicap pour les transmissions de données bilatérales Les allocations de temps et de fréquence des satellites (domaine hyperfréquences) sont de plus en plus restreintes Durée de vie d une liaison satellite d environ 10 ans, contre plus de 25 ans pour un système à fibre optique (liaisons sous-marines) Les liaisons hyperfréquences sont perturbées par La pluie Le brouillard Les gradients de température 11

12 Pourquoi l optique (3)? Intérêts des fibres optiques Distance de transmission Quelques dizaines ou centaines de kilomètres entre répéteurs Capacité de transmission Infiniment plus élevée que les lignes ADSL actuelles en cuivre Jusqu à 10 Gbit/s par canal aujourd hui Jusqu à 100 canaux à 10 Gbit/s en multi-canaux WDM = 1 Tbit/s (terabit/s) La transmission de films HD en temps réel devient possible : 5 Mo par image 25 images/seconde Débit total = 125 Mo/s = 1 Gbit/s De plus, les algorithmes de compression permettent de réduire l encombrement des canaux (d un facteur 10 environ) 12

13 Quantité d informations transmises à haut débit Explosion de la demande en débit Croissance du trafic généré par Internet : > 100% par an Autres applications en très forte croissance: Téléconférence, transmission de données, vidéo numérique, téléphone mobile Exemples de quantités d information transmissibles en fonction du débit 1 Gbit/s : un millier de livres par seconde 1 Tbit/s (1000 Gbit/s) : 20 millions de communications téléphoniques bi-directionnelles ou encore 300 ans de journaux quotidiens (soit ) par seconde 13

14 Evolution du trafic Internet mondial 14

15 Evolution du nombre d abonnés FTTH dans le monde A partir de 2010, l évolution de la demande est supérieure à 100% par an FTTH = Fiber to the Home 15

16 Structure d une fibre Composée d une gaine optique en silice (SiO 2 ) et d un cœur en silice dopée Diamètre 125 µm = 1/8 mm Gaine optique Coeur La lumière se propage dans le cœur par réflexions multiples sur la gaine optique seulement si l indice de réfraction du cœur n c est supérieur à l indice de réfraction de la gaine n g ( n c > n g ) Deux grandes classes de fibres Fibres multimodes Fibres monomodes 16

17 Fibres multimodes (1) Cœur de fort diamètre (> 50 µm) Gaine optique Coeur temps temps Problème majeur : DISPERSION MODALE Les rayons ayant des angles d incidence différents ne se propagent pas à la même vitesse CONSEQUENCE : DISTORSION IMPORTANTE DES SIGNAUX 17

18 Fibres multimodes (2) ng Profil d indice nc n a a = Angle d acceptance ng coeur gaine optique ng nc Fibre à saut d indice (SI) Profil d indice nc n a coeur gaine optique ng nc Fibre à gradient d indice (GI) 18

19 Fibres multimodes (3) Ouverture numérique ON = sin a Fréquence normalisée V = 2a ON = 2a nc2 - ng 2 a = rayon du cœur Nombre de modes de propagation Fibre à saut d indice : NSI = V 2 2 Fibre à gradient d indice : NGI = V

20 Régimes monomode et multimode Une fibre est monomode lorsque V < 2,405 Longueur d onde de coupure : c = 2a 2,405 nc2 - ng 2 20

21 Fibres monomodes (SMF = singlemode fiber) Cœur de faible diamètre (8 à 10 µm) Gaine optique Coeur temps temps Avantage majeur : DISPERSION MODALE NULLE Tous les rayons se propagent à la même vitesse, quel que soit leur angle d incidence CONSEQUENCE : TRES FAIBLE DISTORSION DES SIGNAUX 21

22 Principales caractéristiques des fibres Atténuation linéique Caractérise le degré d affaiblissement de la puissance optique se propageant dans la fibre Exprimée en décibel par kilomètre (db/km) Puissance Puissance Pin Pout Signal injecté dans la fibre Temps Pin Pout Fibre de longueur L et d atténuation (db/km) Temps Signal sortant de la fibre 22

23 Atténuation d une fibre optique L atténuation s exprime en db (décibel) C est le rapport entre Pin et Pout exprimé en logarithme décimal (db) = 10 log (Pout/Pin) Pout/Pin Atténuation 1 0 db 1/2 3 db 1/4 6 db 1/10 10 db 1/ db Facteur 2 + ou - 3 db Facteur 10 + ou - 10 db 23

24 Atténuation spectrale d une fibre de silice (SiO 2 ) Atténuation linéique 1ère fenêtre Pic de vapeur d eau (OH) 2 db/km 2ème fenêtre Limite ultime (diffusion Rayleigh) 0.5 db/km 3ème fenêtre 0.2 db/km 0.85 µm 1.3 µm 1.55 µm Longueur d onde Fenêtres de transparence de la silice 24

25 Dispersion chromatique d une fibre de silice (1) La silice est un matériau dispersif L indice de réfraction n dépend de la longueur d onde Vitesse de propagation : v = c/n La vitesse de propagation v dépend donc aussi de Gaine optique 1 2 Coeur 1 2 temps temps

26 Dispersion chromatique d une fibre de silice (1) Contribution du matériau La silice est un matériau dispersif : n dépend de n dn t --- d 1 t 1 d 2 n Dc = L d L d 2 ps/(nm.km) Dispersion matériau 26

27 Dispersion chromatique d une fibre de silice (1) Contribution du guide et dispersion totale Imperfections opto-géométriques de la fibre => contribution du guide Dispersion matériau Dispersion chromatique (ps/nm.km) 0 0 Dispersion totale Dispersion guide 27

28 Dispersion chromatique propre d une fibre monomode (Dc) Dispersion propre Dc ps/nm.km 0 20 ps/nm.km Fibre monomode standard SMF = Single Mode Fiber Fibre à dispersion décalée DSF = Dispersion Shifted Fiber Longueur d onde 1310 nm 1550 nm 28

29 Dispersion chromatique d une fibre de silice (2) Elargissement temporel d une impulsion sous l effet de la dispersion chromatique Pour un écart entre longueurs d onde (en nm) Pour une longueur L de fibre (en km) L élargissement temporel t (en ps) est : t = Dc x x L ps ps/nm.km nm km où Dc est la dispersion chromatique propre de la fibre, exprimée en ps/(nm.km) 29

30 Dispersion chromatique totale d une liaison optique Elargissement temporel d une impulsion sous l effet de la dispersion chromatique de la fibre Puissance optique Source laser de largeur spectrale Récepteur optique Spectre de la source P opt Fibre de longueur L et de dispersion Dc P opt t = Dc x x L t ps ps/nm.km nm km Impulsion émise t Impulsion reçue t 30

31 Calcul de la distance maximum de transmission connaissant : La caractéristique de dispersion de la source (t/en ps/nm) Le type de fibre (SMF ou DSF) La longueur d onde de la lumière (1310 ou 1550 nm) L (km) = t/(ps/nm) Dc (ps/nm.km) Exemple : source de dispersion 1600 ps/nm avec fibre SMF à 1550 nm (Dc = 20 ps/nm.km) L = 1600 ps/nm 20 ps/nm.km = 80 km 31

32 Technologies de fabrication : la PREFORME Réactions chimiques utilisées pour réaliser la silice Oxydation en phase vapeur : Source de chaleur externe SiCl 4 + O > SiO Cl 2 Oxydation en phase vapeur : Hydrolyse à la flamme SiCl 4 + O > SiO Cl 2 2 H 2 + O > 2 H 2 O CH O > 2 H 2 O + CO 2 2 H 2 O + 2 Cl 2 < > 4 HCl + O 2 32

33 Technologies de fabrication : effet des dopants dans la silice Types de dopants utilisés pour le dopge de la silice (généralement le cœur) : GeO 2, P 2 O 3, B 2 O 3, F, TiO 2, Al 2 O 3 Effets des dopants sur les caractéristiques de la silice 33

34 Technologies de fabrication : effet des dopants dans la silice Effets des dopants sur l indice de réfraction de la silice 34

35 Technologies de fabrication : la PREFORME 35

36 Technologies de fabrication : le FIBRAGE 36

37 Exercice d application On constitue la liaison suivante : Fibre monomode standard utilisée à 1550 nm Atténuation linéique 0,4 db/km Longueur 40 km Dispersion chromatique propre 20 ps/nm.km Source utilisée : diode laser Puissance émise 10 mw Quelle est l atténuation totale de la fibre? Quel pourcentage de la puissance émise sort de la fibre? Quelle puissance optique sort de la fibre? Quelle dispersion la source doit-elle pouvoir supporter? 37

38 Les réponses!! Eléments de calculs Atténuation totale (db) : atténuation linéique (db/km) x longueur (km) 0,4 db/km x 40 km = 16 db Pourcentage de puissance sortant de la fibre : convertir l atténuation totale des db en % 16 db = 10 db + 6 db soit 1/10 x 1/4 = 0,1 x 0,25 = 0,025 = 2,5 % Puissance optique sortant de la fibre : pourcentage trouvé (%) x puissance émise (mw) 2,5 % x 10 mw = 0,25 mw = 250 µw Dispersion supportée par la source (ps/nm) : dispersion propre (ps/nm.km) x longueur de la fibre (km) 20 ps/nm.km x 40 km = 800 ps/nm 38