Modélisation des transmissions optiques WDM

Indice
• 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 cur 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
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• 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
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La fibre optique est composée de deux cylindres transparents. Le cylindre intérieur s'appelle cur et l'extérieur
s'appelle gaine. Ce deux cylindres sont protégés par un revêtement (protection mécanique et chimique).
• Le cur : c'est lui qui transporte le signal optique. On appelle n1 l'indice de réfraction du cur.
• La gaine : sa fonction est la de miroir, évite que le signal optique sorte du cur 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 cur et la séparation entre cur 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 cur 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 cur−gaine
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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
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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.
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• Par absorption moléculaire. Elle est aussi due aux impuretés du cur. 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.
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• 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.
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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.
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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.
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• 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.
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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.
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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.
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• 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
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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.
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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 cur de ce fibre a été exposé
aux rayonnements ultraviolets selon un étalon régulière, qui cause des altérations dans l'indice du cur 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.
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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
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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
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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)
195900
195800
195700
195600
195500
195400
195300
195200
195100
195000
194900
194800
194700
194600
194500
Longueur
d'onde central
(nm)
1530,33
1531,12
1531.90
1532,68
1533.47
1534,25
1535.04
1535,82
1536,61
1537,40
1538,19
1538,98
1539,77
1540,56
1541,35
Fréquence
(GHz)
194400
194300
194200
194100
194000
193900
193800
193700
193600
193500
193400
193300
193200
193100
193000
Longueur
d'onde central
(nm)
1542,14
1542,94
1543,73
1544,53
1545,32
1546,12
1546,92
1547,72
1548,51
1549,32
1550,12
1550,92
1551,72
1552,52
1553,33
Fréquence
(GHz)
192900
192800
192700
192600
192500
192400
192300
192200
192100
192000
191900
191800
191700
Longueur
d'onde central
(nm)
1554,13
1554,94
1555,75
1556,55
1557,36
1558,17
1558,98
1559,79
1560,61
1561,42
1562,23
1563,05
1563,86
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.
18
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.
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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 :
20
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 :
21
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 :
22
• La fibre optique monomode
Le symbole sur COMSIS est :
Et sa fenêtre de propriétés :
23
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 :
24
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 :
25
• 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 :
26
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 :
27
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
28
• 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 :
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Photodiode idéale (sans courant d'obscurité)
30
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 :
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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 :
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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
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