Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherc Recherche he Scientifique
Mastère professionnel en Nouvelles Technologies des Télécommunications et Réseaux (N2TR)
Communications optiques Chapitre 4 : Les composants optiques optiques
Objectifs du chapitre 4
Étudier les principaux composants optiques utilisés dans un système système de communications communications optiques. Calculer le budget de puissance d’une liaison optique.
Plan du chapitre 4
Les coupleurs optiques Les multiplexeurs Les amplificateurs optiques
Types d’amplificateurs optiques
Amplificateur optique à l’Erbium (EDFA)
Amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) Raman
Rôle Principe de base
Bilan d’une liaison optique
Les coupleurs optiques
Un coupleur optique est un outil passif qui divise une puissance optique apportée par une fibre en entrée sur plusieurs fibre optique en sorties. Un composant est dit passif si son fonctionnement est constant dans le temps, et ne nécessite pas de signal (électrique ou optique) de commande. Un coupleur optique est caractérisé par une perte d’insertion globale, due à l’imperfection du composant, définie par: pins_glob=10log(Pe/ ΣPSj)
qui correspond à la part de puissance entrante qu’on ne retrouve sur aucune
sortie. Où Pe est la puissance entrante et PSi est la puissance sortante en j.
Le rapport de couplage ou taux de partage de la voie i : Psi/ΣPSj
La perte d’insertion sur la voie i: pi=10log(Pe/PSi)
Les coupleurs optiques: les technologies de fabrication On distingue deux familles de coupleurs optiques à savoir : La technique la plus simple pour construire un coupleur passif repose sur la fusion et l´étirage, sur une longueur réduite, de deux fibres optiques, pour ainsi obtenir les puissances d´entrée et de sortie nécessaires.
Utilisation type : Les liaisons téléphoniques sur les autoroutes postes SOS)
Couplage par fusion de deux fibres optiques
Coupleur de technologie intégrée
Coupleur optique de technologie intégrée : ces coupleurs sont fabriqués par juxtaposition de deux guides planaires dans du verre ou du SiO2/Si. L’avantage de ce type de coupleur est qu’il permet la miniaturisation ainsi
que de faibles coûts pour de grand volume de production.
Les coupleurs optiques: les applications
Dans les réseaux de fibres optiques, les coupleurs permettent par exemple de distribuer le signal optique issu d’une seule fibre vers plusieurs fibres. On peut par exemple associer plusieurs coupleurs 1×2 pour créer un coupleur 1×N.
Associations de coupleurs
Une autre réalisation à l’aide d’un coupleur à fibre est le miroir à boucle. Il s’agit de réaliser un interféromètre à deux ondes représenté par la.
Les multiplexeurs en longueur d’onde
Les multiplexeurs (MUX) en longueur d’onde permettent de transmettre sur un même canal un nombre d’information très grande provenant de N canaux émetteur. Le démultiplexeur (DMUX) effectue l’opération inverse.
Les amplificateurs optiques rôle
Le rôle de l’amplification optique: Augmentation de la capacité de transmission, Amélioration de la portée Amplification simultanée de tout un spectre de fréquence sans une conversion opto-électrique pour l’amplifier.
Les rôles émergents pour les amplificateurs:
Compenser les pertes d’insertion des composants comme les
commutateurs et les routeurs tout optique dans les réseaux métropolitains Egalisation de la puissance des canaux dans les réseaux reconfigurables.
Les amplificateurs optiques Principe de base
Un amplificateur pour applications aux télécommunications est composé de trois éléments:
La fibre amplificatrice elle-même
Une source d’excitation de la fibre. Cette source est typiquement un laser de puissance élevée, émettant de la centaine de mW à quelques W . Ces lasers
sont qualifiés lasers de pompage. Un multiplexeur qui permet de coupler dans la fibre le signal à amplifier ainsi que le laser de pompe.
Les amplificateurs optiques Principe de base
Le signal, qui va être amplifié, est guidé à travers un milieu de gain (une fibre)
Le milieu de gain est pompé par une source d’énergie appropriée, un laser ou un
courant électrique, qui permet au milieu de gain de générer la lumière à la longueur d’onde du signal.
Le signal stimule l’émission d’une lumière identique par le milieu de gain et de ce fait d’accroitre l’intensité du signal lumineux.
signal in pompe
gain
signal out
La lumière incidente entre dans le circuit, elle est amplifiée et sort par l'autre extrémité pour être couplée dans la fibre.
Les types d’amplificateurs optiques Les types d’amplificateurs optiques:
Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA)
Utilise les transitions des ions Er3+ dans la silice, produite par le pompage optique d’une diode laser
Ce sont ces ions Erbium qui vont donner à la fibre ses propriétés amplificatrices.
Semiconductor Optical Amplifier (SOA) :Amplificateurs exploitant l’inversion de population
Pompage électrique d’un milieu de gain actif
Raman Fiber Amplifier (RFA):Exploitation des effets non-linéaires dans une fibre
Pompage optique de la fibre de transmission
Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA)
Avantage: la simplicité du dispositif. Cet amplificateur se compose d’une fibre active de quelques mètres de longueur, dopée avec des ions appropriés (erbium), et connectée à la fibre de ligne, d’une pompe et d’un dispositif de couplage de la lumière de la pompe vers la fibre dopée. Dans la plupart des cas la pompe est un laser à semi-conducteur. On ajoute deux isolateurs (diode optique), une à l’entrée, l’autre à la sortie, qui ne laissent passer la lumière que dans un sens afin d’éviter toutes les réflexions qui pourraient : créer une cavité, faire osciller le dispositif et le transformer en laser. Fonctionne dans la région 1530 à 1565 nm, Apporte des niveaux de gain allant à 30 dB (1000 photon à la sortie pour un photon à l’entrée) Optiquement transparent
Transparent à la longueur d’onde
Bande RF ‘’illimité’’
Exemple d’amplificateur optique à fibre dopé à l’erbium
Semiconductor Optical Amplifier (SOA)
Les premiers travaux sur les SOAs ont démarré au début des années 80, à partir du moment où les lasers à semi-conducteur fonctionnaient en continu avec une fiabilité acceptable. Le gain est alors fourni dans un guide d’onde semi-conducteur Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs ont même structure qu’un laser semi-conducteur mais sans miroir afin de diminuer les réflexions de la lumière vers l'intérieur du circuit et d’obtenir un élargissement homogène de la raie laser. Lumière émise par la pair électron-trou, pompé électriquement ou optiquement Peut être fait pour n’importe quel longueur d’onde où il existe des diodes laser. Matériau amplificateur quaternaire : InGaAsP
Pour amplification à 1.3 μm et 1.55 μm
Semiconductor Optical Amplifier (SOA)
En régime « petit signal », l’amplificateur, qui peut être modélisé comme un réservoir de photons susceptibles d’ être stimulés, va générer en moyenne pour un photon en entrée, G0 photons en sortie ( gain petit signal ).
A partir d’ un certain nombre de photons en entrée Pin , le « réservoir » ne peut plus fournir assez de photons et l’amplificateur fonctionne en régime de saturation. A la puissance Psat en entrée, pour un photon en entrée, on a G0 /2 photons en sortie.
Les fonctionnalités des SOAs
Les phénomènes non linéaires d’un SOA sont utilisés pour le traitement des
signaux tout optique:
Détecteur des signaux optiques, Porte optique avec contrôle électrique ou optique, Porte logique (XOR, OR, NOR),
Rapide, les SOAs peuvent aussi être utiliser pour d’autres fonctions comme :
La commutation dans les réseaux optiques,
La conversion des longueurs d’ondes d’un canal WDM.
Amplificateur Raman
Avec l'accroissement des canaux dans la fibre, la bande spectrale offerte par les amplificateurs optiques à fibre dopée à l'erbium, limitée au maximum à 40 nm, peut s'avérer être un facteur pénalisant. Ce constat a relancé les études sur de nouvelles méthodes permettant l'augmentation de la bande spectrale. De nouveaux amplificateurs optiques tels que les amplificateurs Raman prennent une part non négligeable dans les systèmes de télécommunications. Pas de fibre dopée nécessaire- la fibre de transmission peut être un milieu d’amplification. Amplifier des bandes fréquences simplement en plaçant une pompe à 100 nm de la région à amplifier (13.2 THz): possibilité d’amplifier n’importe quelle région. Une bande de gain de 6 THz environ. Fibre de transmission Signal Coupleur
Pompe
Amplificateur Raman Principe
Ils sont basés sur le principe de la diffusion Raman, qui est un effet non linéaire à deux photons dans lequel un photon de pompe est absorbé et un photon de plus faible énergie est émis en même temps qu'un phonon. Ce phénomène peut être spontané s'il n'y a pas de photon signal, ou stimulé par la présence d'un photon signal. Ainsi, dans le cas de l'amplificateur Raman, l'onde incidente, dite onde de pompe, stimulée par l'onde signal, va créer une autre onde signal et un phonon. L'amplification est alors réalisée. Comme pour les autres amplificateurs optiques, l’amplificateur Raman a besoin d'une source externe, une source optique. Des lasers YAG sont le plus souvent utilisés dans ce cas, ils émettent une longueur d'onde inférieure à celle du signal.
Figure de bruit
Les amplificateurs dégradent le rapport signal à bruit ( SNR) des signaux qui les traversent à cause de l’émission spontanée qui ajoute du bruit au signal durant son amplification. La dégradation du SNR est quantifiée par la figure de bruit F n de l’amplificateur définie comme: 2
F n=SNRin /SNRout
avec SNR I où I p est le courant produit par un photo-détecteur lorsque la puissance optique du signal est détectée (mis au carré pour le SNR électrique) et est la variance du bruit associé au signal. En pratique, F n est d’environ 5-7 dB. Pour l’application en communications optiques, F n doit être le plus bas possible.
p
2
n
2
n
Bilan d’une liaison Définition Un système de communications optiques comprend des émetteurs, des récepteurs et un réseau de connexions. Les émetteurs sont caractérisés par une puissance optique de sortie exprimée en dBm. Elle dépend du diamètre de cœur de la fibre. Les récepteurs sont caractérisés par une sensibilité également exprimée en dBm. La sensibilité d'un récepteur optique indique la quantité de lumière nécessaire aux circuits du récepteur pour faire fonctionner l'équipement. Exemple, la sensibilité d'un récepteur classique peut varier de 30 dBm à 40 dBm. Dans le calcul de ce bilan de liaison on doit prévoir une marge de sécurité somme d’une marge de fonctionnement et d’une marge de maintenance. La marge de sécurité tient compte de la variation des caractéristiques des composants avec la température et le vieillissement. La marge de maintenance correspond, elle, aux incidents que peut subir le câble optique (sectionnement accidentel par une pelle mécanique e.g. réparé avec une épissure qui entraîne des pertes supplémentaires). La marge de sécurité recommandée est de 3dB.
Bilan de liaison Calcul des pertes
Le calcul d ’un bilan de liaison consiste à calculer les pertes dans un système donné. Il comprend les pertes d ’atténuation en fonction de la distance parcourue et des différents éléments rencontrés dans la liaison, en particulier les pertes de dues aux épissures et aux connecteurs.
m : nombre d'épissures. k : nombre de connecteurs. L : longueur de fibre. Sm : pertes moyennes par épissure (dB). Cm: : pertes moyennes par connecteur(dB). Fm: : pertes moyennes dans la fibre au km (dB.km -1). M : marge due à la dérive des composants.
Bilan d’une liaison
Le bilan de liaison (ou Budget optique) correspond au maximum de pertes permises entre l’émetteur et le récepteur. Il est égal à la différence en dB entre la puissance émise et la sensibilité du récepteur. Budget optique (dB) = puissance de sortie (dBm) sensibilité (dBm) Budget optique (dB) = 10 log(Puissance de sortie/sensibilité) Les connexions comprennent les connecteurs (débrochables) et les épissures (connexions définitives). L’atténuation dépend de la longueur d’onde de travail, du diamètre du cœur et du nombre de modes.
Les ordres de grandeur de l’atténuation
Les pertes typiques des connecteurs
Les pertes totales en ligne (fibre + connexions) doivent être inférieures à ce bilan de liaison. Marge= bilan de liaison –pertes totales en ligne
Bilan d’une liaison Calcul de la portée
Pour calculer la portée d'une liaison fibre optique, il faut déterminer le budget optique, puis déduire les pertes dues aux connecteurs, aux épissures, à la maintenance et à l'usure (dans c'est 2 derniers cas on prend en compte une marge). En connaissant la valeur de l'atténuation du câble utilisé et la nouvelle valeur du budget optique, on pourra alors calculer la porte maximale de la liaison. Portée maxi = (budget optique - pertes ) en dB / atténuation câble en dB/km
Définition des dBm
Puissance en dBm = 10 log P (exprimée en mW)
