OPTO-ELECTRONIQUE
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OPTO-ELECTRONIQUE
Composants photoniques et fibres optiques
Serge MONNERETInstitut Fresnel – CNRS – Marseille
[email protected] : 04 91 28 80 52
Contenu du cours - Plan
1. Fibres optiquesIntroductionPropagation dans les fibres optiquesFibre à saut d'indice / à gradient d'indiceLa fibre réelle : dispersion - atténuationFabrication des fibres optiquesCâbles à fibres optiques
2. Sources lumineuses3. Détecteurs de lumière4. Réseaux de communications optiques
Rappel : types de fibres
Fibre à saut 200/380grande dispersionBP = 10-50 Mhz / km
Fibre à gradient62.5/125 universités50/125 télécoms localesBP = 200-1500 MHz / km
Fibre à saut 200/38010/125 télécom grande distanceBP > 10 Ghz / km
Dispersion
Deux types de dispersion :
1- Dispersion chromatique n = n() donc v = c/n = v()
2- Dispersion intermodale v = f(mode)
Fibre monomode : uniquement dispersion chromatiqueFibre multimode : dispersion chromatique + intermodale
propagation dans la fibre
Dispersion intermodale
saut d'indice : SI = L (ON)2 / (c.nc) avec O.N. nc (2)1/2
gradient d'indice : gr L nc 2 / (8c) (gradient optimal)
SI / gr
A.N. nc = 1.5 = 0.01 L = 1 km SI = 100 ns d'où BP = 10 MHz gr = 0.06 ns d'où BP = 16 GHz
Dispersion chromatique
SMF = Single Mode Fiber
Fibres actuelles optimisées : = quelques ps km-1 nm-1 autour de 1.3 µm
Affaiblissement du signal
Définition de l'atténuation :
Si l'on injecte une puissance lumineuse Po à l'extrémité d'une fibre, on ne récupère qu'une
fraction P1 de Po à l'autre extrémité.
L'atténuation de la fibre est le rendement exprimé en décibel sous la forme
A (dB) = 10 Log10 (P1 / P0)
Rappels :
A = 0 dB : P2 = P1
A = -1 dB : P2 = P1/1.26A = -3 dB : P2 = P1/2A = -20 dB : P2 = P1/100
Rq : dBm : valeur de P2 lorsque P1 = 1 mW0 dBm = 1 mW -10 dBm = 0.1 mW
• Pertes par ABSORPTION
Mécanismes de l'absorption
Absorption intrinsèque : interaction lumière/silice0.1 dB/km pour = 0.8 µm
0.02 dB/km pour = 1.5 µm
1 dB/km pour = 1.8 µm
Absorption extrinsèque : interaction lumière/impuretés130 dB/km pour = 0.85 µm pour 1 ppm de Fe
60 dB/km pour = 1.38 µm pour 1 ppm d'OH-
Mécanismes de la diffusion
Diffusion Rayleigh : > diamètre des défautsElle provient des variations de l'indice de réfraction du matériau sur des longueurs inférieures à la longueur d'onde de la lumière ; elle se traduit par une perte de puissance lumineuse inversement proportionnelle à 4 (loi de Rayleigh)
Diffusion de Mie : < diamètre des défauts
Atténuation des fibres de silice
Relevé expérimental de l'atténuation en fonction de
Décroissance d'ensemble en -4 : diffusion Rayleigh
absorption OH60 dB/km pour 1 ppm
a) Les divers types de verre
b) Le matériau
Les verres à composants multiples
Ils sont élaborés à partir de la silice à laquelle sont rajoutés des oxydes ou des carbonates le tout étant fondu dans un creuset en platine
Méthode du double creuset
Méthode du ‘ barreau dans le tube ’
Les verres à haute teneur en SiO2
Ils sont obtenus par oxydation en phase vapeur de particules de SiCl4.
La variation d ’indice est obtenue par dopage, en proportion contrôlées, avec des oxydes tels que GeO2 (oxyde de Germanium), P2O5 (oxyde de Phosphore), B2O3 (oxyde de Bore) ou SiF4 (fluorure de silicium)
(dB/km) impuretés 1% d’énergie aprèsBouteille 2 000 000 10 kg/tonne 1 cmVitre 200 000 1 kg/tonne 10 cmOptique 2000 10 g/tionne 10 mSilice 0.2 1 mg/tonne 100 km
22C1700
24 Cl 2SiO O SiCl
Les différents types de verre
transparenceexceptionnelle !!
La préforme
En fabrication, tout commence par ce qu'on appelle la préforme.Une préforme est un tube en verre possédant les propriétés géométriques et optiques qui devront être celles de la fibre in fine. De chaque préforme naîtra une centaine de kilomètres de fibre optique.
La préforme est l'image de la fibre optique (coefficient 320)
Ces câbles sont un assemblage de câbles monofibre autour d ’un renfort central
Une ou plusieurs fibres nues sont placées dans un tube extrudé
Les câbles à fibres optiques
• Câble monofibre– La fibre est placée dans un tube de 900 microns de diamètre en
gel de silicone puis renforts kevlar / plastique
• Câbles à structure serrée
• Câbles à structure libre ou tubée
Structure en jonc rainuré :
L ’élément central est un jonc cylindrique rainuré en plastique extrudé autour d ’un porteur central en fils d ’acier torsadés. Chaque jonc peut avoir 5 à 12 rainures et chaque rainure peut contenir une ou plusieurs fibres. Par assemblage de joncs, on peut fabriquer des câbles contenant jusqu ’à 1000 fibres.
Les câbles à fibres optiques
Prix des composants
Fibres optiques, catalogue général électronique 2005 :
plastique diam 1 mm, gaine 2.2 mm, indice = 1.492, 150 dB/km @650 nm175 € / 100m
Silice à gradient d'indice, diam gaine ext = 2.8 mmrayon de courbure dynamique : 50 mmrayon de courbure statique : 30 mm
50/125, BP > 350 MHz.km : 280 € pour 100 m62.5/125, BP > 160 MHz.km : 290 € pour 100 m
Module Laser @ 670 nm (fibres plastiques)1 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 17.60 € TTC5 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 18.60 € TTCdurée de vie : 50000 Hdiamètre spot : 10 mm à 30 m