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Introduction aux transmissions optiques

Histoire des transmissions optiques

Dès l'année 1959, les études de physique relatifs à l'optique donne lieu à une nouvelle utilisation de la lumière, appelée rayon laser, qui était très utile pour les transmissions d'information a grande vitesse.

Cependant, cette utilisation du laser était très limité à cause de l'inexistence des canaux physiques pour la transmission des signaux optiques produites à partir de la source laser. À partir de ce moment, les spécialistes en optique commencent à chercher un canal physique pour ce type de transmissions. Grâce à ces efforts apparaît l'idée d'utiliser une guide optique pour la communication. C'était l'année 1966.

C'est en 1970 que les premières fibres optiques sont développées. A cette même époque, apparaissent aussi les premières diodes laser.

L'histoire des communications sur fibre optique naît en 1977 quand le première système expérimental est construit en Angleterre. Deux années plus tard, il y avait déjà un produit commercial avec beaucoup de succès.

Schéma basique d'une transmission optique

Le transceiver optique a pour fonction de convertir des impulsions électriques en signaux optiques véhiculés au cœur de la fibre. A l'intérieur des deux transceivers partenaires, les signaux électriques seront traduits en impulsions optiques par une LED et lus par un phototransistor ou une photodiode.

On utilise une fibre pour chaque direction de la transmission.

Les émetteurs utilisés sont de trois types:

• Les LED Light Emitting Diode qui fonctionnent dans le rouge visible (850 nm).

• Les diodes à infrarouge qui émettent dans l'invisible à 1300 nm

• Les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d'onde est 1300 ou 1550 nm

Avantage des fibres optiques sur le câblage électrique

Capacité de transmission plus haute due à la plus grande longueur d'onde disponible dans les fréquences optiques.

Affaiblissement plus petit. On peut avoir de grandes longueurs de fibre optique sans utiliser des répéteurs (ou les utiliser avec un intervalle plus large). Ca permet de diminuer les éléments actifs et les causes de défaillance.

Immunité aux transmissions croisées entre câbles causées par l'induction magnétique.

Immunité à l'interférence statique due aux sources de bruit. L'isolation des sources de bruit optique est plus facile que l'isolation des sources de bruit électrique.

Résistance aux conditions environnementaux adverses. Moins d'influence des liquides corrosifs, gaz et variations de température.

Sécurité d'installation et maintenance. Les fibres optiques ne sont pas des conducteurs d'électricité et peuvent être utilisées près des liquides et de gaz volatils.

Sécurité dans la transmission contre des intrus, facilement détectables.

Taille réduite.

Poids faible.

Tous les avantages cités permettent de diminuer le coût d'installation. Par exemple, pour les grandes distances, on peut mettre la fibre optique avec les câble de garde des tours d'haute tension.

Composantes optiques : fibre optique

La fibre optique est l'élément utilisé pour conduire le signal optique. Il s'agit d'un guide d'onde optique et substitue au câble électrique traditionnel.

Le but de ce guide d'onde est de conduire un ou plusieurs rayons lumineux d'un émetteur à un récepteur.

Structure et principe de fonctionnement de la fibre optique

La fibre optique est composée de deux cylindres transparents. Le cylindre intérieur s'appelle cœur et l'extérieur s'appelle gaine. Ce deux cylindres sont protégés par un revêtement (protection mécanique et chimique).

• Le cœur : c'est lui qui transporte le signal optique. On appelle n1 l'indice de réfraction du cœur.

• La gaine : sa fonction est la de miroir, évite que le signal optique sorte du cœur en gardant les caractéristiques optiques, comme la cohérence et la puissance. Pour réaliser cette fonction, il doit avoir un indice (n2) constant et un peu inférieur à l'indice du cœur et la séparation entre cœur et gaine (dioptre) doit être très bien définie.

Mais ces composantes ne sont pas parfaits. Il y a une petite partie du signal optique du cœur qui sort par la gaine. Il n'y a un phénomène de réflexion pure, on a alors réflexion + réfraction qui entraîne des pertes dans la gaine.

Dans ce qui suit on montre des schémas sur la transmission des rayons laser dans une fibre optique :

Principe de fonctionnement du miroir cœur-gaine

Fonctionnement de la fibre optique comme guide optique

On dit qu'une fibre optique est capable de transmettre un mode (fibre optique monomode) ou plusieurs modes (fibre optique multimode). On appelle mode à chaque angle et point d'injection le rayon dans la fibre optique. Qu'une fibre optique soit monomode où multimode dépend de la structure de la fibre et aussi de la longueur d'onde à transmettre. Chaque mode de transmission est indépendant et suit un chemin différent (et par conséquent, différents temps de transmission) .

Les fibres multimode ont des performances d'environ un gigabits/Km, cependant, les fibres monomode ont des performances d'environ 100 gigabits/km.

Le schéma qui suit montre la transmission multimode :

On peut voir aussi que la fibre optique introduit un retard : le signal sort quelque temps après l'avoir introduit. Ce retard dépend du mode entre autres facteurs et peut donner lieu au phénomène connu sous le terme de dispersion.

Profil de l'indice de réfraction

Les fibres optiques multimode sont limitées en distance due par l'incrément en distance des différents modes et les pertes produits dans la dioptre. Une solution pour ce problème est réaliser les fibres optiques avec un indice variable, normalement avec la distance au centre. Le résultat obtenu est montré sur la figure suivante :

Figure d'amélioration des fibres optiques multimode

Il faut trouver un profil d'indice pour donner la courbure désirée au rayon et une façon de les fabriquer.

Ces types de fibres sont très chèrs à fabriquer et il existe une variante moins chère et plus utilisée que sont les fibres à saut d'indice.

La caractéristique de l'indice des fibres optiques à gradient d'indice est une fonction continue comme montré sur la figure. Elles sont plus performantes mais plus difficiles à fabriquer.

Affaiblissement

Un des problèmes les plus importants que posent les systèmes de transmission d'information est la perte de puissante dans le signal transmis. Cet affaiblissement du signal est moins fort dans les systèmes optiques à base de fibres optiques que dans les systèmes électriques. Les causes de cet affaiblissement sont multiples et seront traitées plus tard.

Normalement l'affaiblissement est donné en dB où dBm par kilomètre.

Cet affaiblissement n'est pas constante avec la fréquence du signal optique à transmettre. On définit comme fenêtres de transmission les intervalles de longueur d'onde où l'affaiblissement varie peu est présent un maximum local. Dans la pratique, on utilise cet intervalles pour la transmission, en envoyant des différents signaux optiques sur fréquences légèrement décalées mais dans la même fenêtre de transmission.

La figure suivante fournit l'affaiblissement en fonction des fenêtres de transmission:

Les différentes causes de l'affaiblissement sont :

• Une courbure trop prononcée qui augmente les pertes par réfraction dans la courbe.

• L'affaiblissement par absorption atomique ou électronique. Elle est due aux impuretés. Région ultraviolet.

• Par absorption moléculaire. Elle est aussi due aux impuretés du cœur. Région infrarouge.

• Par diffusion de Rayleigh. Elle est due aux variations de l'indice au niveau microscopique.

Ces causes d'affaiblissement ne sont pas constantes. Elles dépendent de la longueur d'onde. Pour réaliser un étude plus complete, il faut étudier chaque cause d'affaiblissement pour la longueur d'onde utilisée, et après, déterminer quelle est la plus importante pour la optimiser. Dans le cas des signaux optiques de 1550 nm (diodes laser), l'affaiblissement le plus important dans les fibres optiques les plus utilisés est l'affaiblissement par diffusion de Rayleigh.

Dispersion

Quand on veut transmettre une impulsion sur une fibre optique, on produit l'impulsion avec un émetteur laser. Cette impulsion n'est pas idéale car elle présente une durée dans le temps. Dans une transmission idéale, on espère avoir à la sortie la même impulsion, mais cet impulsion a une durée plus grande que la durée initiale.

Il y a plusieurs causes pouvant expliquer ce phénomène :

Dispersion intermodale

C'est le type de dispersion qui apparaît dans les fibres multimode quand le signal transmis est composé de différents modes de propagation. Chaque mode de propagation suit un chemin différent dans la fibre, et a un temps de propagation différent. Quand on regarde le signal à la sortie, composé par les signaux transmis sur les différents modes, le signal a agrandi sa longueur temporelle.

Dans les fibres monomode, il n'y a qu'un seul mode de propagation donc il n'aurait aucun effet de dispersion intermodale.

Une valeur typique de dispersion intermodale dans une fibre à saut d'indice est d'environ de 30ns/km.

Dans les fibres à gradient d'indice, on peut faire varier la vitesse du rayon en fonction du chemin pris en changeant la valeur de l'indice sur chaque point de la fibre. Il faut seulement bien étudier le profil d'indice pour minimiser les différences sur les temps de propagation des différents modes de propagation.

Une valeur typique pour ce type de fibres est d'environ de 60 ps/km.

Dispersion chromatique

Les sources laser non idéaux n'émettent pas sur une seule longueur d'onde. Elles ont, alors, une fonction DSP qui n'est pas une impulsion, elles émettent dans plusieurs longueurs d'onde près de la nominale. Il y a déjà une dispersion initiale sur la fréquence optique.

Chaque fréquence optique a une vitesse différente sur la fibre optique car, il s'agit dan matériau où l'indice de réfraction dépend de la fréquence. Cette variation de la vitesse avec la fréquence va décomposer dans le temps le signal selon la fréquence, en augmentant la longueur temporelle de la sortie.

La dispersion chromatique est un phénomène équivalent mais sur l'axe de temps

Ce type de dispersion apparaît dans le cas des fibres monomode et multimode.

Elle est de l'ordre de ps/km

Dispersion du guide d'onde

Elle est due à la dépendance de la constante de propagation longitudinale avec la longueur d'onde.

Non linéarités

Jusqu'à ce moment, tous les causes de dispersion étudiées correspondent à des phénomènes où l'énergie se conserve. À partir de ce moment, on va étudier les cas où il se produit une perte d'énergie.

Ce sont des phénomènes importants à hautes énergies. On définit un seuil S pour lequel la moitié de l'énergie incidente est diffusée.

Maintenant, on va étudier le phénomène non linéaire le plus courant, la diffusion Raman.

Il apparaît quand l'énergie circulant dans la fibre optique est très élevée. Un photon incident stimule la production d'un autre photon. Une partie de l'énergie du photon est perdue, mais il apparaît un autre photon, chacun avec une énergie plus basse, et par conséquent, une fréquence plus basse.

Ce phénomène est défini par les paramètres suivantes :

• Section effective du mode (de l'ordre de 80 m2)

• Le coefficient de Raman (10-16 W-1 pour laser de 1550nm)

• La bande passante optique (de l'ordre de 10 THz)

• La longueur d'interaction effective, qui dépend de l'affaiblissement. (-1 si L>>1)

Composantes optiques : sources optiques

On utilise des sources optiques pour réaliser la conversion d'un signal électrique en un signal optique.

Cependant toutes les sources optiques, ne sont pas adéquates pour la transmission. Elles doivent avoir certaines caractéristiques :

• Bon comportement dans l'intervalle des fréquences optiques associé aux fenêtres optiques de la fibre optique

• Émission centrée sur une fréquence bien définie. Une répartition de la puissance sur plusieurs fréquences va se traduire en dispersion chromatique à la sortie de la fibre optique.

• Taille réduite et bon rendement.

Pour réaliser la modulation d'émission, on a deux possibilités :

• Modulation directe : c'est la propre source optique qui réalise la modulation en même temps que la transformation électrique-optique. Il s'agit d'une modulation d'intensité et de fréquence.

• Modulation externe : on utilise un modulateur externe.

Phénomène d'électroluminescence

    Les atomes, les molécules et les cristaux semi-conducteurs absorbent et émettent des ondes électromagnétiques sous forme de lumière de longueur d'onde caractéristique. Suivant le principe de la mécanique quantique, l'énergie interne d'un atome, d'une molécule ou d'un semi-conducteur ne peuvent avoir que certaines valeurs discrètes appelées niveau de quanta. Quand un électron subit une transition d'un niveau d'énergie E1 à un niveau d'énergie E2 une lumière de fréquence bien définie peut être absorbée ou émisse.

a) Émission spontané. b) Absorption. c) Émission stimulée

Dans le premier cas, d'émission spontanée, apparaît quand un grand nombre d'atomes ou de molécules est présent initialement à l'état d'énergie supérieure, les phases des ondes rayonnées pour les différents atomes ou molécules sont tout à fait indépendantes et n'ont pas de relations avec d'autres; l'intensité lumineuse totale rayonnée décroît exponentiellement dans le temps.

L'autre possibilité d'émission, l'émission stimulée, est qu'un atome initialement au niveau d'énergie supérieure peut être amené à émettre un photon de lumière ayant la même phase et la même fréquence que celle de la lumière incidente, avec une probabilité proportionnelle à l'intensité de lumière extérieure. On appelle cela une émission stimulée : c'est la base de fonctionnement du laser.

La lumière que nous percevons normalement dans notre vie quotidienne est surtout due à l'émission spontanée. Par exemple, dans une lampe électrique et  les atomes .
 

Phénomène d'électroluminescence dans les semi-conducteurs

Dans les semi-conducteurs directs, la recombinaison d'une paire trou-électron est radiative, c'est à dire que son énergie est voisine de Eg, largeur de bande interdite, est transférée à un photon de même énergie, on a donc l'émission d'une lumière relativement monochromatique. Une structure de diode PN permet de créer un grand nombre de recombinaisons de porteurs minoritaires injectés à travers la jonction, et une émission d'un grand nombre de photons.

Un semi-conducteur direct a son minimum d'énergie de la bande de conduction, et son maximum d'énergie de la bande de valence pour la même valeur de k, constante de propagation de la fonction d'onde de l'électron. Le retour de l'électron de la bande de conduction à la bande de valence se fait sans changement de k et la recombinaison radiative.

Par contre , dans un semi-conducteur indirect tel que le silicium ou le germanium, la recombinaison fait intervenir un photon, et l'énergie est dissipée dans le matériaux sous forme de chaleur.

Semi-conducteur direct. b) Semi-conducteur indirect.

Diode électroluminescentes (DEL ou LED)

On réalise une jonction PN. On fait circuler du courant dans la jonction, dans la direction directe, de sortes que les électrons ou les trous qui constituent les porteurs majoritaires soient injectés dans le voisinage de la jonction et qu 'une luminescence ait lieu grâce à la recombinaison de ces porteurs.

La longueur de la bande GAP du semi-conducteur dans la region de depletion n'est pas constante et l'émission des photons se produit dans un certain intervalle de fréquences. Le résultat est une DSP qui n'est pas une impulsion, mais une fonction qui ressemble plus à une gaussienne.

Structure d'une diode LED. b) Bandes d'énergie. c) Spectre d'émission d'un LED GaAs

Ces sources optiques sont moins coûteuses et simples, mais elles posent des problèmes :

• Sont des sources incohérentes.

• Longueur d'onde de moins d'un milimètre

• Moins puissantes

• DSP assez étendue

• Moins rapides (moins de 100 MHz), temps de montée de ns

Comme avantage, ils ont une caractéristique flux énergétique - courant injectée très linéaire.

Types de sources LED :

• À émission de surface : l'énergie est émise perpendiculairement au plan de la jonction PN

• À émission latérale : l'énergie est émisse perpendiculairement au plan de la diode. Sont plus performantes.

Lasers semi-conducteurs ou diodes laser (DL)

On a vu dans les paragraphes précédents que l'émission lumineuse et l'amplification sont possibles quand les taux d'émission de la radiation est plus grande que celui de l'absorption. La question se pose de savoir s'il est possible de faire un oscillateur laser de cette façon. L'oscillation n'est pas produite simplement grâce à l'action de l'amplification, il faut en plus renvoyer une partie du signal de sortie à l'entrée par un circuit de asservissement.

Pour produire un effet de réaction, la lumière doit être réfléchie par des miroirs. Un exemple classique est le résonateur de Fabry-Pérot, dans lequel la lumière est réfléchie successivement et confinée entre deux miroirs se faisant face.

Pour donner une explication simple, en premier lieu, un rayonnement émis d'une façon spontanée est crée par la recombinaison des porteurs. Cette lumière aléatoire se propage dans toutes les directions, mais les photons ne se déplacent pas directement vers les miroirs rayonnent hors du résonateur. En revanche, les ondes qui se propagent vers un miroir sont amplifiées sous l'effet de l'émission stimulée, et après la réflexion sur les surfaces des miroirs sont renvoyées à leur position précédente. Ainsi, pourvu que la puissance perdue par absorption (il faut que le courant qui traverse la jonction atteingne une valeur Is appelée courant de seuil), ne dépasse pas la puissance de l'émission stimulée, l'oscillateur laser commence à fonctionner.

a) L'onde émisse dans le résonateur. b) Gain du résonateur

Pour réaliser ce résonateur, on utilise des hétérostructures. L'indice optique des matériaux semi-conducteurs est très élevé, et l'interface semi-conducteur - aire est un bon miroir.

On traite maintenant les paramètres caractéristiques d'un laser.

Puissance et courant de seuil

Le relevé de la puissance lumineuse en fonction du courant permet de déterminer le courant seuil. Cette puissance dépend du courant de jonction.

Dans le cas de l'oscillation pulsée, on peut obtenir une puissance de pointe de quelques watts, ce qui correspond à un ordre de grandeur de plus qu'en fonctionnement continu. Dans les télécommunications optiques la puissance exigée est de l'ordre de 10mW.

Diagramme de rayonnement

Le diagramme de rayonnement du Laser est dissymétrique : moins de 20° d'ouverture dans le plan parallèle à la jonction et plus de 40° dans le plan perpendiculaire.

a) Diagramme de rayonnement (cohérence). b) Evolution de la puissance optique

Autres caractéristiques

Par rapport aux diodes LED, ce type de sources optiques sont plus coûteuses et plus performantes.

• Plus cohérentes.

• Longueur d'onde de plus de 10 cm

• Plus puissantes

• DSP moins étendue (presque un impulse)

• Plus rapides (plus de 10 GHz), temps de montée de centaines de ps

Par contre, sa caractéristique flux énergétique - courant injectée n'est pas linéaire, mais peut être modélisée par deux droites, une dès courant 0 à courant seuil (sortie 0), et l'autre, dès courante seuil (caractéristique linéaire)

Il y a plusieurs types de diodes laser :

• DL multimodes : plusieurs modes d'oscillation. Moins coûteuses.

• DL monomodes : un seul mode d'oscillation. Plus performantes mais aussi plus coûteuses.

Composantes optiques : détecteurs optiques

Le but de ce type de composantes est traduire le signal optique envoyé par la fibre optique en signal électrique, qui sera traité par des dispositifs électroniques.

Normalement le signal de sortie des détecteurs optiques est un signal en courant.

Il y a plusieurs types de détecteurs optiques :

• Photodiodes PIN

• Photodiodes à avalanche

• Phototransistors

Dans les systèmes de communication à base des fibres optiques, on n'utilise pas les phototransistors car ils ont une réponse trop lente.

Les photodiodes PIN sont les plus utilisés car ils ont peu coûteuses et simples à utiliser avec une performance satisfaisant. Les photodiodes à avalanche sont aussi utilisés mais il sont plus coûteuses et difficiles à utiliser mais aussi plus performantes.

Pour tous les types de détecteurs optiques, le principe de fonctionnement est le même : l'effet photoélectrique.

Ces diodes sont utilisées en polarisation inverse. La lumière incidente provoque l'apparition d'une courant inverse. Mais en l'absence d'excitation optique, il y a une petit courant parasite appelée courant d'obscurité.

Effet photoélectrique et photodiode PIN

    Sous l'effet d'un photon d'énergie suffisante, un électron est arraché de la bande de valence et passe dans la bande de conduction, produisant une paire de porteurs libres qui sont collectés aux bornes d'une jonction polarisée en inverse. Dans cette jonction, il existe une zone sans porteurs libres dite depletion region. Donc toute paire électron-trou générée dans cette zone participe a la création d'un photo-courant.

Photodiode à avalanche

Les photodiodes à avalanche (APDs) ont une réponse très rapide, un gain important et un produit longueur de bande - gain plus performant que les photodiodes PIN combinés avec un amplificateur.

Une bonne photodiode à avalanche a un courant d'obscurité nul, une réponse fréquentielle large, un gain pouvant aller de 1 à 106 ou plus, ne génère pas de bruit, et n'est pas cher. elle doit être, alors, comme une photodiode PIN avec un gain. Mais cette liste de performances a quelque contradictions en temps de design.

Les photodiodes d'avalanche sont photodiodes à polarisation inverse très forte. Les porteuses générées doivent prendre une énergie suffisamment grande pour générer des paires électron-trou additionnels. Ce processus est connu comme ionisation par impact. Ces porteuses générées acquièrent assez d'énergie pour produire des nouvelles paires électrons-trous. On parle de multiplication par avalanche qui détermine l gain de la photodiode à avalanche.

La structure basique d'une photodiode à avalanche inclut une région « A », et une région de multiplication « M ». Dans la région A il y a un champ électrique E qui sépare les trous et les électrons générés par la lumière et lance les porteuses vers la région de multiplication. La région M est conçue pour avoir un champ électrique important pour donner une gain par ionisation par impact. Cette région de gain doit avoir une longueur suffisante pour donner un gain utile, M, d'au moins, 100 pour les photodiodes à silicium.

Structure d'une photodiode à avalanche

Paramètres caractérisant les photodiodes

Sensibilité

Ce paramètre indique le rapport signal électrique - signal optique. L'unité est en A/W (ampère de sortie par watt optique d'entrée).

La sensibilité dépend de la géométrie, des matériaux utilisés et de la fréquence optique à détecter.

Les valeurs typiques sont entre 0.3 et 1 A/W

Courant d'obscurité

C'est le courant généré par la photodiode quand il n'y a pas d'excitation lumineuse. La cause de ce courant est l'excitation thermique des porteuses dans la jonction PN. Il s'agit d'un phénomène aléatoire, et sa valeur n'est pas constante. Quand on donne une valeur de courant d'obscurité on parle, alors, de courant moyen.

Les valeurs typiques pour ce courant sont compris entre 0.1 et 10 nA

Réponse en fréquence

Une photodiode est un système dynamique, par conséquent il a une réponse en fréquence avec une fréquence de coupure, dont il faut tenir compte.

Facteur d'excès de bruit (x)

Il apparaît dans les calculs de bruit des photodiodes à avalanche. Le rapport x - gain est très important comme bilan entre l'élection entre une photodiode à avalanche et une photodiode PIN.

Les causes de ce bruit sont dues à la nature statistique du processus d'avalanche

Bruit

Il y a plusieurs causes pour le bruit :

• Bruit quantique : c'est une conséquence de la nature discrete de la lumière

• Bruit d'obscurité : c'est le bruit généré par le courant d'obscurité

• Bruit thermique : c'est dû à la résistance.

• Bruits d'amplificateurs 

Composants optiques passifs

Les composants décrits antérieurement sont les composants utilisés pour réaliser un système de communication optique basique, et sont nécessaires pour toute transmission optique. Mais, quand on a besoin d'installations plus sophistiquées (où il y a plusieurs émetteurs et récepteurs en constituant des transmissions indépendants ou des transmissions d'un émetteur vers plusieurs récepteurs) on réalisera des opérations différentes à l'émission, transmission et réception.

Liaisons entre fibres optiques

Il y a plusieurs types de composants pour réaliser l'union entre deux fibres optiques. On peut les modéliser comme pertes (dB) et comme une diffusion.

Atténuateurs

Le but de se type de composantes est réduire la puissance optique pour éviter la saturation optique d'un composante, normalement une fibre optique.

Ils peuvent être de valeur fixe au réglable. La gamme d'atténuation est compris entre 1 et 60 dB.

Coupleurs

Les coupleurs sont les équivalents optiques des unions entre plusieurs conducteurs électriques.

Ce sont des dispositifs bidirectionnels.

Un coupleur a n entrées et m sorties, de façon qu'on peut définir une matrice de transfert constante entre les n entrées et les m sorties.

Exemples de coupleurs

Quelques exemples de coupleurs avec une fonction de transfert simple.

Pertes

On définit comme perte d'insertion de i vers j comme le rapport de puissante entre le voie d'entrée i et la sortie j, exprimé en dB

Une partie de la puissance introduite sur une voie d'entrée est réfléchie sur la propre entrée. On appelle isolation le rapport entre la puissance réfléchie et la puissance d'entrée, exprimé en dB

Mais, cette réflexion ne se produit pas seulement sur la propre entrée, mais aussi se produit sur les autres entrées. On définit la directivité de i vers j comme le rapport entre la puissante réfléchie sur j et l'entrée i, exprimé en dB.

Multiplexeurs optiques

Les multiplexeurs optiques réalisent un multiplexage en longueur d'onde, c'est à dire, la sortie du multiplexeur sera la somme des entrées chacune décalée en longueur d'onde pour ne pas se superposer.

Les entrées des multiplexeurs sont des signaux modulés en longueur d'onde, signaux modulés sur une sinusoïde optique de fréquence bien définie.

Ces composants sont bidirectionnels. Le même composant peut réaliser la fonction de multiplexage et de démultiplexage.

Les paramètres qui caractérisent les multiplexeurs sont :

• La fréquence centrale et la longueur de chaque canal de sortie

• Les mêmes paramètres définis pour les coupleurs :

• Pertes d'insertion

• Isolation

• Directivité

Fibres de Bragg

Une fibre de Bragg est un petit morceaux de fibre optique légèrement modifié. Le cœur de ce fibre a été exposé aux rayonnements ultraviolets selon un étalon régulière, qui cause des altérations dans l'indice du cœur de la fibre optique selon un étalon régulière aussi.

Ces modifications réguliers de l'indice vont donner à la fibre optique une réflexion différent selon la fréquence. Quand, pour la plus part du spectre de fréquences la réflexion est minimale, pour une certaine fréquence (appelée longueur d'onde de Bragg) est très haute, et elle peut encore arriver au voisinage du 100%.

On utilise ce fibres pour filtrage (demultiplexeurs) et pour le couplage des signaux de différents niveaux énergétiques.

Schéma du fonctionnement d'une fibre de Bragg

Autres composantes optiques passifs

• Commutateurs optiques : ce type de composants sont l'équivalent optique des interrupteurs et commutateurs électriques. Sa fonction est la distribution du signal optique selon une commande (électrique ou manuelle).

• Isolateurs optiques : on l'utilise pour diminuer la réflexion dans l'interfaçage entre deux composantes optiques.

Amplificateurs optiques

Le but de ce type de composants est augmenter la puissance du signal optique. Un pompage électrique ou optique réalise l'inversion de population.

Les raisons pour l'utilisation des amplificateurs optiques (ou OFA pour Optical Fiber Amplifier) sont multiples :

• Pour amplifier le signal de sortie d'un émetteur avant la transmission.

• Comme répéteur optique.

• Pour monter le niveau du signal de sortie d'une transmission avant de la convertir en signal électrique avec un détecteur optique.

• Pour compenser les pertes des éléments passifs d'un système de transmission optique.

Il y a plusieurs types d'amplificateurs optique.

• Amplificateurs à fibres optiques dopées aux terres rares

• Amplificateurs à fibres optiques utilisant l'effet Raman

• Amplificateurs à fibres optiques utilisant l'effet Brillouin

• Amplificateurs à semi-conducteurs

On définit le facteur de bruit d'un amplificateur optique comme le rapport signal-bruit qu'introduit le amplificateur.

Amplificateurs à fibres optiques

Dans les amplificateurs à fibres optiques, le pompage se réalise optiquement. Le pompage optique peut se réaliser en injectant le laser dans le même sens que le signal optique ou dans le sens inverse, selon la méthode d'amplification utilisée.

Amplificateurs à fibres optiques aux terres rares

On utilise comme milieu pour l'amplification, des fibres optiques dopées avec des terres rares. La terre rare plus utilisée pour l'amplification est l'erbium (EDFA). L'inversion de population est réalisée par une diode laser.

Le gain de l'amplificateur est proportionnel à la puissance de pompage (diode laser), et dépend du dopage d'erbium.

Amplificateurs à fibres optiques utilisant l'effet Raman

L'effet Raman est un effet non linéaire qui cause la diffusion. Quand un photon à très grande énergie entre dans la fibre optique, il peut avoir assez d'énergie pour exciter un porteuse et conduire à l'émission d'un photon. C'est un processus statistique.

Le pompage, optique évidemment, se réalise avec une diode laser de longueur d'onde plus petite que la longueur d'onde du signal à amplifier, et peut être dans le même sens du signal ou dans le sens inverse.

Amplificateurs à semi-conducteurs

On utilise le gain de la cavité optique d'une diode laser pour amplifier le signal optique. Pour pouvoir le faire il nous faut polariser la diode un peu en dessous de son courant de seuil.

Amplificateurs électroniques : répéteurs

Pour réaliser l'amplification d'une signal optique, on peut aussi faire une détection (conversion optique-électrique), amplifier le signal optique, ensuite, la renvoyer comme signal optique en utilisant un émetteur.

Le problème le plus complexe pour ce type d'amplification est qu'on doit faire un démultiplexage du signal optique avant faire la conversion, pour, après, utiliser un système détecteur-amplificateur-émetteur pour chaque canal optique. Cependant, les amplificateurs purement optiques réalisent l'amplification du signal optique, quelque soit le nombre de canaux ou le débit d'information.

La transmission soliton

Dans une transmission d'une onde électromagnétique dans une guide d'onde non linéaire, il y a un mode de propagation spécial, appelé soliton, permettant à une impulsion de se propager sans déformations sur grandes distances et permettant ainsi

de tirer partie des longueurs d'ondes non utilisées avant.

Ce phénomène est obtenu à partir de la solution de l'équation différentielle de Schrödinger non linéaire et impose une forme au signal envoyé : une impulsion d'une forme bien définie. Toute déviation de cette forme dans le signal envoyé, sera modifiée pour s'adapter à la forme prédéfinie de l'impulsion du soliton. Il est alors, nécessaire d'utiliser un milieu non linéaire.

La modulation WDM / DWDM

Alors que les systèmes de transmission ne reposaient que sur l'utilisation du multiplexage temporel (ou TDM pour Time Division Multiplexing), pour la transmission de 155 Mb/s, 622 Mb/s, 2,5 Gb/s, 10 Gb/s, voire 40 Gb/s sur une seule longueur d'onde, une nouvelle génération de systèmes est apparue au début des années 90, mettant en oeuvre le multiplexage de longueurs d'onde (ou WDM pour Wavelength Division Multiplexing).

La technologie WDM est née de l'idée d'injecter simultanément dans la même fibre optique plusieurs trains de signaux numériques à la même vitesse de modulation, mais chacun à une longueur d'onde distincte.

A l'émission, on multiplexe n canaux au débit nominal D, à la réception, on démultiplexe le signal global n x D en n canaux nominaux.

La norme internationale ITU-T G 692 (Interfaces optiques pour systèmes multi-canaux avec amplificateurs optiques) a défini un peigne de longueurs d'onde autorisées dans la seule fenêtre de transmission 1530-1565 nm. Elle normalise l'espacement en nanomètre (nm) ou en Gigahertz (GHz) entre deux longueurs d'onde permises de la fenêtre : 200 GHz ou 1,6 nm et 100 GHz ou 0,8 nm.

Fréquence (GHz)	Longueur d'onde central (nm)	Fréquence (GHz)	Longueur d'onde central (nm)	Fréquence (GHz)	Longueur d'onde central (nm)
195900	1530,33	194400	1542,14	192900	1554,13
195800	1531,12	194300	1542,94	192800	1554,94
195700	1531.90	194200	1543,73	192700	1555,75
195600	1532,68	194100	1544,53	192600	1556,55
195500	1533.47	194000	1545,32	192500	1557,36
195400	1534,25	193900	1546,12	192400	1558,17
195300	1535.04	193800	1546,92	192300	1558,98
195200	1535,82	193700	1547,72	192200	1559,79
195100	1536,61	193600	1548,51	192100	1560,61
195000	1537,40	193500	1549,32	192000	1561,42
194900	1538,19	193400	1550,12	191900	1562,23
194800	1538,98	193300	1550,92	191800	1563,05
194700	1539,77	193200	1551,72	191700	1563,86
194600	1540,56	193100	1552,52
194500	1541,35	193000	1553,33

Recommandation de l'ITU pour les transmissions WDM de fenêtre de 100 GHz

C=299792,458 km/s

La technologie WDM est dite dense (DWDM pour Dense Wavelength Division Multiplexing) lorsque l'espacement utilisé est égal ou inférieur à 100 GHz. Des systèmes à 50 GHz (0,4 nm) et à 25 GHz (0,2 nm) ont déjà été testés.

Les systèmes WDM / DWDM commercialisés aujourd'hui comportent 4, 8, 16, 32 voire 80 canaux optiques, ce qui permet d'atteindre des capacités de 10, 20, 40, 80 voire 200 Gb/s en prenant un débit nominal de 2,5 Gb/s et de quatre fois plus avec un débit nominal de 10 Gb/s. Ainsi, on obtient 800 Gb/s avec 80 canaux optiques à 10 Gb/s.

Un des composants clés du WDM/DWDM est l'amplificateur à fibre dopée erbium (EDFA), déjà traité, qui permet de compenser les pertes d'insertion dues aux multiplexage/démultiplexage des longueurs d'onde.

La fréquence d'émission des diodes laser est calibrée pour produire une longueur d'onde du canal désirée, en changeant, par exemple la température de la diode laser. Pour éviter l'interférence entre les canaux adjacents, il faut limiter les déviations de la fréquence central au intervalle ±0,2·f, c'est à dire, les diodes laser doivent être très stables et doivent avoir une longueur de raie très petite.

Néanmoins le DWDM introduit des phénomènes non linéaires qui ont notamment pour conséquence de limiter en pratique la distance entre amplificateurs entre 50 et 100 Km :

• La diaphonie entre canaux (XPM : Cross Phase Modulation)

• Le mélange quatre ondes (FWM : Four Wave Mixing) qui créait de l'intermodulation optique entre les différents canaux.

• L'effet Raman qui augmente les écarts de puissance reçue entre canaux et par conséquent produit une trop grande dispersion du rapport signal/bruit.

Différentes techniques permettent de corriger ces phénomènes : c'est le cas de la DCF (Dispersion Compensating Fiber) qui consiste à introduire dans la liaison un tronçon de fibre produisant une dispersion négative (environ -100 ps/nm·km) de compensation.

Cependant, la technologie DWDM n'a pas encore atteint ses limites. De nouvelles techniques en cours de développement permettront de multiplier encore plus les capacités des systèmes optiques :

• La transmission soliton permettant le transport d'impulsions très étroites sur des milliers de Km sans déformation, tout en conservant une bande passante très large.

• La modulation des impulsions, ou transmission duo-binaire, permettant la multiplication par deux ou trois fois du débit électronique, en utilisant des impulsions à 2 ou 3 niveaux binaires.

• L'amplification et le multiplexage dans la fenêtre 1300 nm permettant de mieux rentabiliser les fibres optiques conventionnelles qui connaissent des limites dans l'utilisation des systèmes DWDM à 1550 nm.

Compte tenu des nombreux avantages que le DWDM apporte, l'intégration de cette nouvelle technologie dans un réseau d'opérateur nécessite de repenser son architecture avec le double objectif, de ménager les investissements déjà réalisés tout en préparant un proche avenir où simplicité, fiabilité et faible coût seront les clés du succès.

Avec l'introduction des multiplexeurs à insertion/extraction optiques (Optical Add Drop Multiplexing : OADM) reconfigurables :

et de brasseurs optiques (Optical Cross-Connect : OXC) :

il sera possible de mieux exploiter la capacité des fibres optiques mais aussi d'offrir des possibilités de restauration et de protection à haut niveau.

COMSIS et ses modeles de composants optiques

La diode laser : laser-système

Le symbole sur COMSIS est :

Et sa fenêtre des propriétés :

Le modèle de COMSIS pour les laser permet de définir un laser de deux façons différentes :

• En utilisant ses paramètres physiques.

• En indiquant les caractéristiques fonctionnelles du laser.

Pour cette étude on utilisera toujours la définition fonctionnelle du laser parce que le but de cet étude est de modéliser et simuler les composants et liaisons optiques sans entrer dans la physique des composants.

La sortie des composants se fait en enveloppe complexe, donc on ne peut pas la visualiser proprement. Pour la visualisation, on peut utiliser sa puissance ou on peut utiliser un composant photodiode-idéal.

Schéma du montage :

Le signal d'entrée à la diode laser, est le suivant :

Pour lequel on a une sortie (après détecteur optique) de :

La diode laser a une réponse caractéristique des systèmes dynamiques, avec une dépassement et un petit retard, mais elle correspond à l `entrée et on peut identifier le signal original.

Pour voir un peu plus en détail la réponse transitoire :

La fibre optique monomode

Le symbole sur COMSIS est :

Et sa fenêtre de propriétés :

Le modèle de COMSIS pour les fibres optiques permet de simuler les fibres optiques monomodes, mais il n'y a aucun modèle pour les fibres optiques multimodes. Par contre, il permet de tenir compte des effets non linéaires.

Pour tester ce composant on va faire le montage suivant :

On va générer un signal binaire électrique, après on utilise une diode laser pour la convertir en optique, et ensuite, on va l'envoyer par une fibre optique monomode.

Pour pouvoir faire les visualisations, on va transformer les signaux optiques en électriques.

Maintenant on va comparer le signal d'entrée électrique :

Avec le signal optique envoyé à travers de la fibre optique :

Et le signal reçu à la fin de la fibre optique :

On peut visualiser les effets de la fibre optique avec un zoom :

Photodiodes

La bibliothèque de COMSIS pour les détecteurs optiques est assez complète. Il y trois modèles différentes :

Photodiode idéale

Le symbole sur COMSIS :

Et sa fenêtre de propriétés :

Un photodiode idéale ne fait que convertir l'énergie optique en signal électrique (courant). La seule propriété est le rapport entrée - sortie. Tous les autres effets qui apparaissent dans les photodiodes sont négligés.

Photodiode PIN

Le symbole sur COMSIS est:

Et sa fenêtre de propriétés :

Il s'agit d'un modèle plus complet des photodiodes PIN, et tient compte du courant d'obscurité.

Photodiode à avalanche

Le symbole sur COMSIS est :

Et sa fenêtre de propriétés :

Maintenant, on peut spécifier le gain caractéristique des photodiodes à avalanche, le coefficient d'excès de bruit (rapport signal - bruit) et le courant d'obscurité séparé en courant de surface et courant de volume.

On va tester les trois photodiodes différents. Pour le faire on utilise le schéma suivant :

Les photodiodes simulées sont :

• Une photodiode idéale, qu'on peut prendre comme référence.

• Une photodiode PIN avec la même sensibilité que la photodiode idéale, et une courant d'obscurité de 0.5 nA

• Une photodiode à avalanche avec la même sensibilité que la photodiode idéale et un courant d'obscurité du même ordre que la photodiode PIN. Gain 1

• Une photodiode à avalanche de mêmes caractéristiques que l'antérieure avec un gain de 10.

L'entrée introduite est :

Toutes les photodiodes simulées ont la même réponse :

Si on monte les valeurs de courant d'obscurité, on peut constater qu'il apparaît un petit bruit :

Photodiode idéale (sans courant d'obscurité)

Photodiode à avalanche de courant d'obscurité de surface de 2500 nA

et de courant d'obscurité de volume de 2500 nA

Cette dernière simulation est fait avec un coefficient d'excès de bruit 0

Coupleurs

Coupleur équilibré A3DB

Le symbole sur COMSIS est :

Et sa fenêtre de propriétés :

On va tester ce composant en utilisant le schéma suivant :

Où il y a deux sources binaires aléatoires, une avec un 80% de `1' et l'autre avec un 30% de `1'. Les deux diodes laser n'ont pas le même rendement, pour avoir des signaux à niveaux de puissance différents.

Pour réaliser la sortie et visualisation des données, on utilise, comme d'habitude, des photodiodes idéales.

Pour une entrée :

On a la sortie :

Les deux sorties du coupleur sont égales. Cette sortie rassemble la somme des deux entrées, mais n'est pas exactement le signal somme.

Coupleur étoile non polarisé

Le symbole sur COMSIS est :

Et sa fenêtre de propriétés :

On a réalisé un essai pareil à celui antérieur pour ce type de coupleur, mais on a trouvé la même réponse.

Multiplexeurs

La bibliothèque de COMSIS pour les multiplexeurs inclut deux types de multiplexeurs optiques, le multiplexeur idéal et le multiplexeur non polarisé.

Le première type de multiplexeur réalise une somme des entrées. Le deuxième type, est un vrai modèle de multiplexeur optique.

Multiplexeur idéal