Communications par Fibre Optique

Journées X-UPS de physique Communications par Fibre Optique mercredi 4 mai 24 Version 5. Philippe Gallion TELECOM ParisTech, Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications CNRS LTCI 46, rue Barrault, 75634 Paris Communications par Fibre Optique. Les fibres optiques 2. Les fonctions optoélectroniques 3. La couleur 4. Les systèmes 5. Conclusion Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 2

Communications par Fibre Optique. Les fibres optiques 2. Les fonctions optoélectroniques 3. La couleur 4. Les systèmes 5. Conclusion Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 3 Nécessité d un guidage Liaisons sans visibilité Turbulence et turbidité de l atmosphère Hydro météores Divergence naturelle par diffraction θ Δd d L θ de l ordre de grandeur de λ/d Soit -4 rd pour d = 5 mm et λ =,5µ. Elargissement Δd =L θ, soitcm pour L = km, Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 4 2

Ce que dit Snell-Descartes Altitude Eau Lumière La nature 884 Principe de Maupertuis Indice Principe de Fermat Jean-Daniel Colladon La lumière «préfère» les endroits où l indice de réfraction est le plus élevé Nombreuses expériences préliminaires depuis l antiquité Renaissance Italienne : Millefiori des verreries de Murano Jean-Daniel Colladon, 84 John Tyndal, 864.. Loi de Snell-Descartes, réflexion totale sini 2 > n n 2 i n Réflexion, et donc guidage, sans pertes i 2 i 2 n 2 > n Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 5 Les fibres optiques en silice n n 2 Cœur Gaine 2a n n 2 > n n Gaine Cœur Gaine Silice pas chère et très ductile Changement d indice par dopage (Bore ou Germanium) Δn = -2 à -3 Diamètre de cœur de 5 à 5µ >> longueur d onde λ Diamètre extérieur 25µ, faible encombrement, faible poids Un revêtement confère de bonnes propriétés mécaniques Faibles rayons de courbures Immunité électromagnétique Guide diélectrique: pas de pertes intrinsèques par guidage Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 6 3

Ouverture Numérique (ON) Rayon à pertes Rayon guidé ON= sinθ max = 2nΔn θ MAX Réflexion partielle Gaine Cœur n =,45 Δn = 2 θ MAX = Réflexion totale Connexion Aligner les cœurs Aligner les axes Connecteur : de. à.3db Soudure :.5dB Réparations pénalisantes Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 7 Ce qu en dit Maxwell Onde monochromatique r, t r Proche de la réalité Généralisable en régime linéaire (Fourier) Equation de propagation de Helmholtz ΔE ( $ r ) + ωn( r )' 2 % & c ( ) E ( r ) = Conditions aux limites Continuité des champs tangents E et H aux interfaces cœur-gaine Solutions se propageant selon z n Constantes de propagation réelles La lumière «visite» aussi la gaine n 2 Nombreuses solutions Dimensions grandes devant la longueur d onde n e ( ) = E ( )exp jωt Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 8 4

Guide plan x n Ce qu en dit Maxwell Gaine x n Fibre optique n 2 > n Cœur Gaine n y n 2 Cœur Gaine y Problème D Symétrie plane Fonctions trigonométriques dans le cœur Fonctions exponentielles dans la gaine Modes définis par entier Distinction TE et TM N = V π / 2 V = aω c n 2 2 n 2 Problème 2D Symétrie cylindrique Fonctions de Bessel J dans le cœur Fonctions de Bessel K dans la gaine Modes définis par 2 entiers Regroupement des mêmes constantes de propagation LPxy = fréquence normalisée a λ N = V 2 Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 9 2 Les Modes «J'entends par mode les affections d une substance (la lumière), autrement dit ce qui est dans une autre chose (la fibre optique) par le moyen de laquelle il est aussi conçu» (Spinoza, Ethique) Chaque mode correspond à 2 rayons faisant un angle ± θ avec l axe Descartes et Maxwell ne sont que partiellement réconciliés Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 5

,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,2 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 2 8 3 9 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 62 73 84 295 3 6 4 7 25 8 36 9 47 58 69 7 8 9 2 3 4 52 63 7 4 8 5 9 6 7 8 9,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,8,6,4,2 2 3 4 5 6 7 8 9 temps Dispersion Inter-Modale Abondance de solutions nuit gravement θ Gaine Cœur Gaine L Rayon lent Rayon rapide Ils existent de nombreux «modes» (rayon) Diamètre 2a = 5µ >> λ Différence d indices élevée (Δn = -2 ) Quelques centaines de modes Tous modes n arrivent pas en même temps Elargissement des impulsions proportionnel à la distance Bande passante pour km = quelques MHz temps Δτ(θ) = Ln G c Correction par un gradient d indice L indice décroît progressivement quand on s éloigne de l axe Les rayons ne sont plus rectilignes Gradient parabolique optimal Bande passante pour km = quelques GHz en pratique Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech θ 2 2 Fibre Multi Mode et Fibre Monomode (Multimode Fiber ou MMF et Single Mode Fiber ou SMF) gaine cœur gaine cœur Multimode Gros coeur (de 5µm à qlq mm) Grande différence d indice ( -2 ) Grande ouverture numérique ( ) Connexion facile Plusieurs centaines de modes Correction par gradient d indice Débit limité Souvent en polymère Réseau indoor Monomode Petit coeur (µm) Petite différence d indice ( -3 ) Petite ouverture numérique (qlq ) Connexion délicate Un seul mode En silice Grand débit Réseau FTTH Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 2 6

Obtenues pour V < 2,4 Les Fibres Monomodes V = aω n 2 2 2 n = fréquence normalisée Dimension c Longueur d'onde Le mode HE correspond au mode LP Dans le cœur : fonction de Bessel J $ Dans la gaine : fonction de Bessel K. E(ρ) = E exp ρ ' & ) % w ( En pratique : fonction de Gauss w est le rayon du champ ou la taille du spot. Fibres monomode usuelles V est choisi entre 2 et 2,4 75 à 5 % de la puissance est confinée dans le cœur Le vecteur d onde est unique L indice est un indice effectif Pondération de l indice des milieux par la lumière qui les expérimente k ( ω) = ωn c Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 3 n n 2 n 2 Atténuation Interaction lumière matière Modèle de Drude-Lorentz Oscillations, vibrations électroniques et moléculaire Polarisation Nombreuses résonnances Fenêtre de transparence entre les l absorption IR et UV de la silice Pics d absorption des impuretés (ion OH) Diffusion Rayleigh Diffusion non linéaire Imperfections du guide n(ω) = ( n j n ) L indice est complexe n"(ω) : atténuation, choix de la longueur d onde n'(ω) : dispersion, débit Masse M Masse m +e -e Force = - ee m x P( E) = ε χ () E x ω i ω 2 E et H ω 2 E H ω 4 λ 4 k ( ω) = j α 2 + ωn' c Atténuation Déphasage Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 4 7

Un Gisement fréquentiel énorme Transparence dans le proche infra rouge (25nm à 65nn) 5nm correspond à une fréquence de 2THz nm correspond à 25Ghz Bande de 4nm soit 5THz XS Bande (Xshort band) : 25 to 35nm 4nm soit 5THz S+ Bande (short band) :45 to 49nm S Bande (short band) :5 to 525nm C Bande (conventional band):525 à 565nm Erbuim amplification L Bande (long band) : 568 to 6nm L+ Bande (long band) : 6 to 65nm...4.6.8..2.4.6 Longueur d onde (µm) Minimum d atténuation à 5nm (,5µm) :,2dB/km Vulnérabilité à l eau En pratique : Portée de 2km, avec une atténuation de 3dB Attenuation (db/km).8 Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 5 Fibres optique plastique Plastic Optical Fiber (POF) Fibres optiques multimode en polymère Saut d indice, cœur en Poly Méthacrylate de Méthyle (PMMA) En fait du plexiglas Gradient d indice, gaine en polymères fluorés (POF) Transparence entre 6 et 85 nm, Atténuation de l ordre de db/km Très gros diamètre de cœur : de µm à quelques mm, Connections faciles et connecteurs à bon marché Manipulable par le grand public Eska Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 6 8

,5,5,5 -,5,5,5 - -,5 -,5 -,5 -,5 -,5 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9-2 3 4 5 6 7 8 9 -,2,8,6,4,2,5,5 -,5,5 2 3 4 5 6 7 8 9,5-2 3 24 3 4 5 5 6 7 7 8 9 8 9 -,5 - -,5,5,5 -,5 - -,5 2 3 4 5 6 7 8 9,2 Quelle couleur est la plus rapide?,8,2,8,5,6,5,5,4 2 3 4 5 6 7 8 9,2 -,5,5,5-2 3 4 5 6 7 8 9 -,5 -,5 2 3 4 5 6 7 8 9-2 3 4 5 6 7 8 9 -,5 -,5 -,5,6,4,5,5,2 2 3 4 5 6 7 8 9 -,5,5,5-2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 -,5 -,5,5-2 3 4 5 6 7 8 9 -,5 -,5 - -,5 -,5.4.6.8..2.4.6.8 Longueur d onde (µ) Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 7 Les différentes composantes spectrales,2 n ont pas la même vitesse L,8,6,4,2 Dispersion de Vitesse de Groupe Group Velocity Dispersion (GVD) 2 3 4 5 6 7 8 9 -,5 temps Elargissement des impulsions par propagation D est la dispersion de la fibre en ps/nm/km Série de Taylor (enveloppe lentement variable) L ordre est fonction de la distance L k ω Δτ = DLΔλ ( ) = j α 2 + k + k ( ω ω ) + 2 k 2 ( ω ω ) 2 +... Atténuation Vitesse de phase Vitesse de groupe Dispersion de la vitesse de groupe D = 2πc λ 2 k 2 temps ( k = k ( ω ) = ω * * v ϕ * * k = k = ) ω ω v G * k k 2 = 2 = " % * $ ' * ω 2 ω ω # v G & * +... Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 8 9

,5,5 -,5 - -,5,5,5 -,5 - -,5 -,5 -,5,5 2 3 4 5 6 7 8 9,5 -,5 - -,5,5,5 - -,5 2 3 4 5 6 7 8 9,5 2 3 4 5 6 7 8 9,5 -,5 - -,5,5,5 -,5-2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 Dispersion de Vitesse de Groupe Group Velocity Dispersion (GVD) Dispersion > : - t Dispersion < : - 2,6,8,,2,4,6,8 t Longueur d onde en µm Dispersion > : Le bleu est le plus rapide Dispersion < : Le rouge est le plus rapide D = @ λ =,3µ$ D = 7ps/(nm.km) @ λ =,5µ pour le minimum d atténuation Dilemme Cornélien : Distance ou débit? Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 9 Limitation du débit des fibres monomodes,2,2,2,2,8,8,6,6,8,6,8,6 z,4,4,2,2 2 3 2 4 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9 8 9 t 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 t Mélange des impulsions successives Un débit numérique plus élevé implique Impulsions plus proches et plus vulnérables Impulsions plus courtes au spectre plus large Le terme d élargissement doit rester négligeable Fibre standard (SMF) à 5nm [ Débit(GBit/s) ] 2 [ Longueur (km)] < 6 ( Gb/s) 2 km z 8km de portée à 2.5Gb/s 6km de portée à Gb/s Meilleures performances à 3nm ou avec de la compensation Dégradation avec une source laser bon marché (chirp) Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 2,4,2,4,2 2 k 2 ω ω ( ) 2 L < π 2

Compensation de la dispersion de la vitesse de groupe Fibre à compensation de dispersion Compensation de la dispersion chromatique par la dispersion de guidage 2 Standard dispersion Dispersion shifted Flat dispersion - - 2.6.8..2.4.6.8 Wavelength in µm Fibre à dispersion négative Traitement du signal dans les systèmes cohérents Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 2 $ Dispersion de Polarisation Polarization Mode Dispersion (PMD) t y x dz Biréfringence aléatoire dans le temps et l espace z dτ t dτ = dz v Gx dz v Gy (δτ) 2 = (δτ i ) 2 longueur L i ( ) / 2 = (PMD) L / 2 Δτ = (δτ ) 2 Les fibres standard ne conservent pas la polarisation PMD varie entre,5 et,2 ps/km /2 Le retard doit rester <,T, où T est le temps bit Pour L = km, PMD =,2 ps/km /2, R = /T est limité à 5Gbit/s Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 22

Non-linéarités La puissance optique moyenne est faible (mw) Le champ électrique à des valeur crêtes importantes Confinement dans le cœur Impulsions brèves Le mouvement des électrons liés n est plus harmonique P( E ) = ε χ () E + χ (2) E E + χ (3) E E E... ( ) Suceptibilité du er ordre - Indice linéaire - Atténuation Suceptibilité du 2nd ordre Suceptibilité du 3ieme ordre - Génération de l harmonique 3 - Mélange à 4 ondes - Indice non linéaire - 2 nd harmonic génération - Génération de somme de fréquences - = pour des molécules symétrique comme SiO 2 La lumière modifie faiblement l indice de la fibre ( -2 ) Cumul des effets sur des grandes distances Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 23 Equation de Schrödinger non linéaire Enveloppe lentement variable Transformation de Fourier E(t, z) = A(t, z)exp j ω t k z Propagation sur dz avec un changement de vecteur d onde E = Aexp ( jk z) ( ) E(ω, z) = A(ω ω, z)exp( jk z) Δk = k k Equation de propagation de amplitude complexe E + de = Aexp ( jδkz)exp( jk z) z A + da A ( jδkdz) A = jδk A Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 24 2

Equation de Schrödinger non linéaire Equation de dispersion k ( ω ) = j α 2 + k + k ω ω ( ) + 2 k ω ω 2 ( ) 2 + γ A 2 Vitesse de phase Vitesse Atténuation de groupe Equation de propagation mono canal A z = - α 2 A + k A t j 2 k 2 A 2 t + jγ A 2 A 2 Equation de propagation multi canal Dispersion de la vitesse de groupe # 2 2&... + jγ % A n + 2 A i (A n + jγ A m A n* A p $ ' i n Non Linéarités k k = j z ω ω = j t m et p n Auto modulation de phase Modulation de phase croisée Mélange à 4 ondes Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 25 Conséquences des non-linéarités SPM Auto modulation de phase (SPM) Modulation de phase croisée XGM E = I exp jϕ Mélange à 4 ondes E = I exp jϕ E 2 = I 2 exp jϕ 2 Bruit de phase nonlinéaire Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 26 3

,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,5,5,5 2 3 4 5 6 7 8 9 -,5,5,5-2 3 4 5 6 7 8 9 -,5 2-,5 3 4 5 6 7 8 9,5 - -,5,5,5 -,5 -,5 - -,5 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9,5-2 3 4 5 6 7 8 9 -,5 -,5,5 2 3 4 5 6 7 8 9 -,5 - -,5,5,5-2 3 4 5 6 7 8 9 -,5 I (intensité) Auto-modulation de phase Self Phase Modulation (SPM) Impulsion Auto modulation de phase φ =-kz (phase) ω(t)-d φ/dt Automodulation de phase "Chirp" fréquentiel t (temps) t t z z Dispersion avec D > L auto-modulation de phase peut compenser une dispersion positive t t Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 27 Propagation linéaire : Solitons Propagation non linéaire : Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 28 4

Communications par Fibre Optique. Les fibres optiques 2. Les fonctions optoélectroniques 3. La couleur 4. Les systèmes 5. Conclusion Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 29 Absorption Interations optique/électrique Photodétection Emission spontanée Direction aléatoire Phase aléatoire Polarisation aléatoire before before after after Diode électroluminescente (LED) Emission Stimulée (induite) Caractère bosonique de photons Direction déterministe Phase déterministe Polarisation déterministe before Laser à semi-conducteur (LSC) Amplificateurs à semi-conducteur (SOA) after Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 3 5

Interfaces optique/électrique Emission laser Conversion des électrons en photons Puissance optique proportionnelle au courant Puissance optique mw (dbm) environ Courant de seuil Laser (émission) Photo détection Photo détection (Absorption) Absorption Courant proportionnel à la puissance optique (A/W) Bruit thermique : -4dBm pour GBit/s Perte de la couleur Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 3 Jonction semi-conductrice energy energy conduction band conduction band forbidden band E G forbidden band E G valence band valence band Semiconductor: equilibrium Semiconductor: current injection L énergie de gap décide de la fréquence L injection de courant Vide la bande de valence Rempli la bande de conduction Auto stabilisation Courant de seuil Le gain net ne commence que quand les pertes sont vaincues Current Conduction band valence band Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 32 6

Cavité Fabry Perrot Rendre les lasers monomodes (Mono fréquence) Les lasers à réaction distribuée (DFB) Laser à Réaction Distribuée L Intervalle intermodale Δν FP = c 2Ln G Nombreux modes Miroir «ordinaire» (localisé) Réflexion indépendante de la longueur d onde Réflexion localisée Λ Intervalle intermodale c Δν DFB = >> Δν 2Λn FP G 2 modes ou mode Miroir à réseau ((distribué) Réflexion sélective Réflexion distribuée Déphasage de π/2 Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 33 La modulation haut débit échappe aux lasers Regrouper oscillation et modulation est sous optimal Chirping (Kramers-Krönig) Modulateur externe à Electro-Absorption Effet Franz-keldysh Intégrable : ILM Modulation de puissance Chirp réduit Modulateur au Niobate de Lithium Effet Pockels Modulation de puissance Chirp contrôlable Taux d extinction Modulation de Phase Modulateur IQ Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 34 7

Photo détecteur : Conversion optique/électrique (O/E) Absorption Energie supérieure à l énergie de gap Absorption Photodiode PIN InGAAs/InP Courant proportionnel à la puissance optique (A/W) i S = RP S où R= ( eη ) est la sensibilité en A/W hν La sensibilité est de l ordre de l unité Les conversions O/E à détection directe sont peu avantageuses Goulet d étranglement pour la bande passante Rendement énergétique faible Perte de la couleur Perte de la phase Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 35 Les amplificateurs optiques Gain Typiquement 2 db à 3 db Facteur de bruit minimal de 3dB Technologies Semi-conducteur (SOA) Gain Pompage électrique Fibres optiques dopées à l Erbuim (EDFA) Pompage optique ( à 48nm ou à 98nm) Amplificateur Raman Utilisation de la fibre de transmission Amplification distribuée Pompage optique (λ +3,2THz ) Puissance optique de sortie G = Puissance optique d'entrée Gain Equilbrage spectral du gain Gain Max 3dB Gain Max 3dB Bande passante optique : quelques dizaines de nm νor λ Puisance de saturation: quelques mw P saturation Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 36 P input 8

Amplificateur à laser semi-conducteur Semiconductor Optical Amplifier ( SLA ou SOA) Gain par unité de longueur y, direction transverse x, direction latérale z, direction longitudinale Courant Type p Zone actice Type n Spectre du gain pour différentes valeurs de la densité de porteurs Lumière Traitement anti-reflet Ajustement des gains pour les polarisations TE ou TM Quelques centaines de microns Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 37 Amplificateur à fibre Optique Dopée Erbium Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) Isolateur Fibre Dopée Erbium Pompe Coupleur Pompage co et/ou contra-propagatif Quelques dizaines de mètres Pompe à 48nm Moins efficace : 2,5dB/mW Meilleure puissance de saturation Inversion moindre Pompe à 98nm Plus efficace : 4dB/mW Meilleure inversion Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 38 9

Energie Amplificateurs Raman ω P ω S Niveaux de vibration Niveau fondamental La fibre de transmission est le milieu actif Max de gain à 3,2 THz de la fréquence de pompe (Stokes) Bande de gain de 6 THz environ Longueur de quelques km (gain distribué) Puissance de pompe importante (quelques W) Faible section efficace Amplification distribuée : quelques dizaines de km Besoins de pompes Gain à toutes les λ... si pompe disponible Pas de vraie d inversion de population Transfert de bruit : pompes faible bruit Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 39 Le caractére corpusculaire de la lumiére Bruit de grenaille ou Shot Noise τ Les photons arrivent aléatoirement Leur nombre est aléatoire Particules classiques $ < ( Δn) 2 >=< n > Fluctuations poissonniénes Fluctuations naturelle de la puissance optique Proportionnelles à la bande passante d observation B E ( δp) 2 = 2hν < P > B E Relation de Schottky optique Bruit non additif en puissance Reproduction par le photo courant τ = 2B E P = nhν τ time I = ηe hν P ( δi) 2 = 2e < I > B E Relation de Schottky électrique Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 4 2

Fluctuations du champs électrique Im N Q Δϕ A N N I Pour une seule polarisation Puissance <P> = (Amplitude) 2 = A 2 Bruit Gaussien additif en amplitude N Composantes en phase et en quadrature Partage de la puissance total de bruit ϕ Re P N = P I + P Q and P I = P Q N I et N Q sont en bande de base Fluctuations de la puissance P = ( A + N I ) 2 2 =< P > +2AN I + N I Carré moyen ( δp) 2 =< ΔP 2 >= 2 < P > P N ΔP Les fluctuations de puissance sont le double produit (battement) entre le signal amplitude et la composante en phase du bruit Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 4 Bruit pour l amplitude Shot noise Bruit gaussien additif ( δp) 2 = 2hν < P > B e ( δp) 2 = 2 < P > P N Densité spectral pour un seule polarisation P N = hνb E = hν 2 B O S N hν/2 S N = hν 2 Energie d un demi photon Pas observable directement S N =.65. -9 J (or W/Hz) = -62dBm/Hz(optical) @ λ =.5µ$ Mais le terme croisé avec le signal est le shot noise C est l énergie minimale de l oscillateur harmonique E n = n + $ # &hν E = hν for n =, " 2 % 2 Fluctuations de point zéro ou Fluctuation du vide Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech B E B E ν B o Frequency ν 42 2

Im ϕ N Q Δϕ A N Fluctuations de phase N I Re Fluctuations - de phase Carré moyen des fluctuations de phase Conjugation Δϕ N Q Independent du signal Même quand le signal est nul Equivalence avec les relations d indétermination d Heisenberg A ( δϕ) 2 = P N 2 < P > δpδϕ = P N Nombre de photons reçus$ Relation Temps-bande passante n = Pτ hν B e = 2τ δnδϕ =/ 2 Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 43 Une amplification idéale est impossible Amplificateur linéaire non sensible à la phase G est le gain en puissance Amplification de la puissance du signal Amplification et des fluctuations de puissance Les fluctuations de phase sont inchangées Input Output Amplificateur idéal Des mesures en sorties violent les relations d Heisenberg Output Les amplificateurs optiques ajoutent du bruit S ADDED = (G ) hν 2 Quelque soit leur nature Pour les laser le bruit total est l émission spontanée Input Bruit ajouté Amplificateur réel Il amplifient aussi l émission spontanée générée en amont Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 44 22

Communications par Fibre Optique. Les fibres optiques 2. Les fonctions optoélectroniques 3. La couleur 4. Les systèmes 5. Conclusion Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 45 Multiplexage en longueur d onde (WDM) Multiplexage temporel électrique (ETDM) R R 2 R i Mux E/O λ Liaison optique λ R O/E Demux R 2 R i STM-6 = 2.5 Gb/s STM-64 = Gb/s STM-256 = 4Gb/s Amp Multiplexage en longueur d onde (WDM) R E/O λ λ λ 2 λ ι R 2 E/O λ 2 Mux Liaison optique R i E/O λ ι Grande efficacité spectrale Fortes contraintes sur l'électronique Forte limitations par la dispersion Amp Demux λ λ 2 λ 3 E/O E/O E/O R R 2 R i Moindre efficacité spectrale Moins de contraintes sur l'électronique Moins de contraintes sur la dispersion Amp Amp Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 46 23

Intérêts du WDM Pour les liaisons à grand débit Moins de câbles Amplification collective Relaxe des contraintes liées à l augmentation des débits Electronique rapide Dispersion chromatique Dispersion polarisation Non linéarités Utilisation des anciennes fibres dispersives Montée en débit modulaire (Capex reduction) Pour les réseaux d accès Séparation montant/descendant Séparation des utilisateurs Séparation des services Séparation des fournisseurs d accès Augmentation de la capacité Augmentation du nombre d utilisateurs Assigner la longueur d onde Statique (Démux PON ) ou dynamique (Routeur en λ) Routage ou sélection par filtrage Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 47 Augmentation du Débit Global Augmentation du débit par canal Gbit, 4 Gbit/s Taille optimale du grain? Limitation par la dispersion et les non-linéarités Resserrement des canaux Ghz, 5 GHz, 25 GHz Limitations par les effets non linéaires Limitation par les Mux/demux Nombre élevé de canaux à gérer Elargissement de la bande Elargissement de la bande des EDFA Utilisation de la bande L Amplification Raman Limitation par le bruit et la disponibilité des pompes Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 48 24

Evolution des systèmes WDM Le multiplexage en longueur d onde (WDM) est une vieille idée Rê Horaky (le Soleil à midi) transmet un faisceau lumineux multicolore à Tapéret (8-9 B.C.) Le Louvre, Paris 98 : 2 canaux,3 et,5µ 99 : 8 canaux à 2,5 GBit/s distants de 4Ghz 996 : 32 canaux à 2,5 GBit/s distants de Ghz 2 : 64 canaux à GBit/s distants de 5Ghz 2 : Débit supérieur à Tb/s Doublement de la capacité tous les 9 mois Deux fois plus rapide que la loi de Moore Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 49 C (coarse) CWDM CWDM versus DWDM 2nm soit 25Ghz λ (nm) 27 Très bas coût Réseau d accès Pas d amplification collective 6,4nm soit 5Ghz D (Dense) DWDM λ (nm) Liaison haut débit Amplification collective 525 65 Le contrôle fin de λ passe par celui de la température (2,5 GHz/K) Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 5 25

Multiplexeurs (Mux) et Démultiplexeur (Démux) Filtrage par réseau de diffraction Propagation libre Insensibilité à la température Coût élevé Ondes incidentes Modulation de l'indice Δn= -6 à -3 Réseaux de Bragg (FBG) Phase Array Waveguide (Phasar) Sensibilité à la température Recherche de l athermicité Onde réfléchie λb = 2neff ΛB Films diélectriques Couches diélectriques (SiO2, TiO2) Isolation de 45 db Période du réseau Λ B λc ΔL= m n eff Onde transmise λ- λ B λ λ λ 2 λ 3 λ 4 λ λ2 3 4 Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 5 Le contrôle fin de λ passe par celui de la température (2,5 GHz/K) Communications par Fibre Optique. Les fibres optiques 2. Les fonctions optoélectroniques 3. La couleur 4. Les systèmes 5. Conclusion Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 52 26

(a) time Systèmes à détection directe (b) time Seule la puissance est modulée Modulation par Tout ou Rien (On Off Keying L information sur la fréquence (couleur) est perdue La phase pas utilisé Le récepteur décide si il y a de la lumière ou pas Décision à seuil (c) time Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 53 Systèmes à détection directe sans pré amplification optique Le bruit thermique électronique domine Typiquement,4 µa pour R B = Gb/s Une puissance inférieure à quelques µw n est pas détectable Plusieurs milliers de photons par bit sont nécessaires à GBit/s Simple et pas cher Réseaux d accès Dynamique de 25 à 3dB pour un BER de -9 Atténuation Partage Connexions Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 54 27

Les réseaux d accès Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 55 Déploiement des réseaux d accès OLT OLT OLT λ λ λ λ λ DEMUX λ λ ONU λ λ λ λ λ ONU ONU ONU ONU ONU ONU Point to Point (P2P) Lasers bas coût Voie descendante à 5nm Voie montante à 3nm Point to Multi Point (P2MP) Voie montante Laser «sans couleur» Interférences optiques entre lasers Super continuum (Spectrum slicing) WDM PON CWDM Composants actifs réfléchissants Amplificateurs modulateur Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 56 28

Systèmes à détection directe avec pré amplification optique Seule la puissance est détectée Le bruit des amplificateurs domine Emission spontanée amplifiée Il dépend de G- Le signal dépend de G Le gain ne sert qu a masquer le bruit thermique Le bruit n est pas le même pour les et les ( ) P = AA * ( ) + AN * + A * N ( ) + NN * SIGNAL SIGNAL NOISE SIGNALCROSS TERM NOISE NOISE Quelques dizaines de photons par bit sont suffisants à GBit/s Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 57 SEA-ME-WE-4 8,8 kilomètre de long Relie l Asie du sud est, l inde, le moyen orient et l Europe Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) Communication bidirectionnelle sur une même fibre 2 paires de fibres Chaque paire transporte 64 porteuses à Gbit/s Capacité totale de.28 Tbit/s Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 58 29

Capacité d un canal de communication Théorème de (Hartley) Shannon Power Power Noise Power Durant seconde Signal Energies moyennes reçues P S = Puissance du Signal P N = Puissance de bruit Time Plus petite énergie discernable = P N Nombre de niveaux discernables = (P S + P N )/ P N Nombre de Bits = log 2 (P S + P N )/ P N Time /B (a) (b) (c) Time Pour une bande passante B B intervalles de temps par seconde C = B o log 2 (+ P S P N ) in bits/s Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 59 Augmenter la capacité C = B o log 2 (+ P S P N ) in bits/s Puissance limitée par les non linéarités Bande passante optique L accroissement de la bande passante n est pas tout Le bruit est aussi fonction de la bande passante P N = S N B O S N est la densité spectrale de bruit Capacité limite C = P S S N log 2 e =.44 P S S N La puissance est limitée A l émission par les non linéarité A la réception par la distance Bruit accumulé Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 6 3

Détection optique cohérente S (frequency f S ) L (frequency f L ) 2π(f S- f L )t (L+S) 2 = L 2 + 2LS + S 2 with L>>S Addition du signal reçu S avec un autre signal continu intense L Oscillateur local Détection quadratique de la somme Génération d un terme croisé : battements Gain de mélange Transposition du signal optique dans le domaine électronique Linéarité Préservation de la phase optique Traitement du signal post détection Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 6 Q (Im) Formats de modulation Q (Im) Q (Im) I (Re) I (Re) I (Re) BPSK or DBPSK bit par symbole Enveloppe constante QPSK 2 bits par symbole Enveloppe constante 6 QAM 4 bits par symbole Multi niveau Augmentation du nombre de bit par symbole Réduction du spectre Amélioration de l efficacité spectrale Réduction de l énergie par bit Réduction de la distance euclidienne entre symboles Rapport sur bruit plus élevé Plus grande vulnérabilité au bruit et aux non linéarités Exemple : 28 Gbaud soit 2 Gbit/s (QPSK avec diversité de polarisation) Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 62 3

Efficacité Spectrale (Bit/s/Hz) N = log 2 M Rapport signal à bruit Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 63 Communications numériques en optique Codage correcteur d erreur 5 à 2% de overhead Reed-Salomon, BHC, LDPC, Turbo Décision souple Gain de 5 à db sur le rapport signal à bruit Le taux d erreur optique est -2 à -2 Compensation des distorsion déterministes linéaires Dispersion de vitesse de groupe (canal à mémoire) Rotation de phase due au décalage en fréquence Récupération de la phase Filtrage et égalisation Diversité de polarisation Multi Input Multi Out Put OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 64 32

Data Com " Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 65 Communications par Fibre Optique. Les fibres optiques 2. Les fonctions optoélectroniques 3. La couleur 4. Les systèmes 5. Conclusion Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 66 33

Une augmentation fantastique des performances 982 : canal à Gps Aujourd hui : centaine de canaux à Gbit/s Prés de 4 ordres de grandeur sur la capacité Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 67 Perspectives Pour l optoélectronique Maitrise et gestion des non linéarités Distribution du gain /propagation à signal constant Gain potentiel de 9 db sur un lien k Pompes à faible bruit Bas coût Réseaux d accès Photonique sur silicium Faible consommation Communications numériques Codage correcteur d erreurs Modulations codées Inversion des perturbations linéaires Traitement électronique des signaux rapides Drivers Echantillonnage et traitement numérique du signal Intégration des récepteurs cohérents FPGA et ASICs Communications par Fibre Optique, Philippe Gallion, Télécom ParisTech 68 34