Yves JAOUEN

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SYSTEMES DE COMMUNICATIONS OPTIQUES

• Yves JAOUEN
• Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications
• Groupe Télécommunications Optiques
• Département Communications et Electronique, CNRS
  UMR 5141
• 46 rue Barrault, 75634 Paris
• Tel [phone]
• Email yves.jaouen_at_telecom-paristech.fr

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Principes généraux
Accroissement des fréquences porteuses -
Domaine radiofréquence l 37 cm ? f
800 MHz - Domaine millimétrique
l 1 cm ? f 30 GHz - Domaine
optique l 1 µm ? f 300
THz
Débits - Domaine radiofréquence f
1 GHz ? B qques 100 Mb/s -
Domaine optique f 300 THz
? f qques Tb/s
Support de propagation - Espace libre
Spectre radioélectrique limité (lt 100 GHz)
- Guides donde métalliques lt 100 dB/km pour f
1 GHz (l 30 cm ) - Domaine optique lt
1 dB/km pour l 1 µm
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Principe dune transmission optique
Emetteur
Récepteur



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Liaison optique longue distance
Amplificateur
Input data
Output data
Laser Modulateur
LPF
50 100 km
N sections 1000 à 10000 km
Transmission optique - support fibre
- amplification optique Génération de signaux
optiques - transducteur E/O lasers à
semi-conducteurs - transducteur O/E
photodiode Accroissement des capacités -
augmentation du débit ? limitation par
dispersion, circuits électroniques -
multiplexage en longueur donde (systèmes
WDM) Le traitement tout-optique des signaux pas
encore mature
5
Evolution des systèmes optiques
Ruptures technologiques
1ère génération fibre multimode (0.85µm) 2ème
génération fibre monomode (1.3 µm) 3ème
génération laser DFB 1.55 µm 4ème génération
amplification optique 5ème génération systèmes
WDM
Laccroissement des capacités est  tirée  par
linnovation technologie
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Réseaux optiques trans-océaniques
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Plan
Support de propagation - Principe de
guidage Fibre multimode Fibre monomode -
Phénomène de dispersion -
Atténuation Composants optoélectroniques -
Rappel de physique électronique -
Structures de laser à semiconducteurs -
Photodetecteur Amplification optique Limitations
physiques et familles de systèmes Réseaux
tout-optiques Perspectives
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Support de propagationfibre optique guide
donde diélectrique
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Fibre optique
Phase 1 élaboration dune préforme
Gaine en silice pure
Gaine en polymère
Teflon
Cur en silice
Phase 2 tirage
Structure géométrique
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Propagation guidée Approche géométrique
Réflexion totale
Fcoeur 50-80 µm
n0
n2
?0
n1
i
?c
Angle dinjection maximal
Ouverture numérique
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Fibres multimodes dispersion intermodale
Profil à saut dindice
Profil à gradient dindice (profil parabolique)
Influence de la dispersion SI Dn 10-2
? BL 10 Mb/s km GI profil
parabolique, Dn 10-2 ? BL gt 1 Gb/s km
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Propagation guidée Approche électromagnétique
Equation de propagation
Solutions modes TE, TH, EH, EH
(fréquence normalisée)
(constante de propagation normalisée)
Propagation monomode mode fondamental HE11
Dimensions du guide imposées pour maintenir
propagation monomode
Fcoeur 9 µm, Dn 5 10-3
Domaine spectral 1.2 1.7 µm
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Fibres monomodes dispersion chromatique
Dispersion chromatique - dispersion
matériau (nSI f(l)) - dispersion  guide 
(profil du mode f(l)) ? BL 1/(D Dl)
D en ps/nm/km
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Dispersion dans les fibres monomodes
Dispersion dans les fibres standard
Familles de fibres
Influence de la dispersion
D1.3 µm 1 ps/nmm/km ? BL 100 Gb/s
km
D1.55 µm 17 ps/nmm/km ? BL 5 Gb/s km
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Atténuation dans les fibres optiques

• Origine
• Diffusion Rayleigh
• (la silice est un milieu amorphe)
• - Absorption
• (résonance du matériau à différents l)
• Silice Absorption IR
• Ions OH- 1.24 µm 1.39 µm
• Ions métalliques

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Composants optiques dextrémitésLasers à
semi-conducteurs photodiodes
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Sources à semi-conducteurs (1)
Concepts de base Interactions onde-matière 3
types de transitions entre le niveau fondamental
E1 et le niveau excité E2 entre 2 niveaux
dénergie dun atome
E2
E2
E2
E1
E1
E1
Emission stimulée - Cohérence spatiale -
Cohérence temporelle
Absorption stimulée
Emission spontanée - Direction aléatoire -
Phase aléatoire

• Taux démission
• ? Spontanée
  (proportionnelle à la population du niveau E2)
• ? Stimulée
  (gain stimulé proportionnel à la population du
  niveau E2)

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Sources à semi-conducteurs (2)

• Recombinaison radiative dans les semi-conducteurs
• Structure de bande dénergie bande de valence
  (trous libres), bande de conduction (e- libres)
• Une transition radiative est possible si
• Conservation de lénergie
• Conservation de la quantité de mouvement

Semiconducteur à gap-direct (AlGaAs, InP, )
Gap direct
Gap indirect
Bande de conduction
Bande de conduction
Electrons
Ec
Energie
Energie
Eg
Ev
trous
Bande de valence
Bande de valence
Vecteur donde
Vecteur donde
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Diodes électroluminescentes (DEL)
Zone P
Zone N
Contacts électriques
Emission spontanée obtenue par recombinaison
radiative Bande passante limitée par la durée de
vie des porteurs (porteur e-
trou) Diagramme de rayonnement lambertien (?
rdt de couplage source-fibre qques )
qques 10 à 100 µW de puissance optique couplée
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Diodes laser (1)
Courant injecté
Zone active Milieu amplificateur
Confinement optique ? zone active structure
optique guidante Confinement électronique ?
inversion de population Cavité résonnante
optique Miroirs externe Faces clivées
du matériau (n 3-3.5)
L
R2
R1
En régime établi ? onde stationnaire
condition sur le gain condition sur
la phase
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Diodes laser (2)
Structure typique
Boitier
Caractéristique P (I)
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2 familles de diodes laser
Laser DFB
Laser Fabry-Pérot
gain
Plusieurs modes se situent dans la courbe de gain
? laser multi-l
w
Modes de cavité
Condition daccord de phase
? laser mono-l
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Modulation du champ optique
Photodiode détecteur quadratique ?
Modulation NRZ
1
1
0
1
0
1
Puissance
Temps
Modulation directe
Modulation externe
Diode laser
courant dinjection
Modulateur externe
Diode laser
données
données
? Simplicité de mise en uvre ? Influence de
la dispersion
? Complexité de mise en uvre ? Influence de
la dispersion minimale
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Modulation directe dun laser à semi-conducteur

• Equations dévolutions
• porteurs
• photons
• fréquence

Rb 2.5 Gb/s
Variation de la puissance optique P(t) (par la
variation du gain du milieu)
Variation de la fréquence optique optique
n(t) (par la variation de lindice de réfraction)
Indice de réfraction complexe
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Modulation externe

• Modulateur de Mach-Zehnder
• Principe
• - Modulateur de phase
• - Interféromètre MZ ? Df1(t) - Df2(t) ?/2
• Possibilité de suppression du chirp

• Modulateur à Electro-absorption
• Pas de Chirp adiabatique
• Chirp transitoire ajustable

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Photodiode
(? 1 A/W à 1.55 µm)
Zone P
Zone N
Signal 1 photon ? 1 e- ? I
? P Bruits - Bruit thermique Nth
4kT/Rch - Bruit de grenaille Nqn 2e ? P
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Réception optique
Diagramme de loeil
En réception, un comparateur à seuil régénère le
signal La présence de bruit engendre
lapparition derreur
Seuil de réception typique
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3ème partie Amplification optique
29
Pré-amplification optique
photodétecteur
fibre
Filtre optique
Ampli
Emetteur
G
Conclusion pré-amplification optique ?
Apparition de nouvelles composantes de bruit
30
Sources supplémentaires de bruit

• Battement ASE-ASE

• Battement Signal-ASE

Bo
Signal
Emission spontanée
GPin
Ä
Ä
OPTIQUE
OPTIQUE
Signal
Emission
spontanée
Bo
Bo/2
ELECTRIQUE
ELECTRIQUE
GPin Nsp
4?2
4?2
NspNspBo
Be
Be
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Pré-amplification optique sensibilité du
récepteur
Si le gain de l amplificateur optique est
suffisant
Sensibilité du récepteur
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Systèmes optiques amplifiés (1)
Chaine damplificateurs

Modélisation dun amplificateur
Amplificateur
Puissance de sortie constante (fonction de
puissance de pompe) ? auto-contrôle
automatique du gain
Pout
Pin
Å
G
ASEN ampli N ASE1 ampli Puissance signal
diminuée (GL lt 1)
ASE
Le S/B se dégrade avec le nombre damplificateurs
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Systèmes optiques amplifiés (2)
Accumulation de lASE
1 amplificateur N amplificateurs
2 zones de fonctionnement
Zone linéaire
Plancher derreur
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Systèmes optiques amplifiés (3)
Rapport S/N requis en extrémité
(Influence du taux dextinction)
35
Système optiques amplifiés (4)
OSNR 20 dB
10 Gb/s / 1000 Km pas 100 km 10 Gb/s / 10000
Km pas lt 50 km
La dégradation de OSNR est une fonction de
pertes/tronçon
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Amplificateur à fibre dopée Erbium
Niveaux dénergie de lion Erbium
Architecture
Fibre dopée Er 5-15 m
E3
Transition rapide
Pout
Pin
E2
mux
mux
Emission Stimulée 1550 nm
Pompage 980 1480 nm
Diode de pompe (50 350 mW)
Diode de pompe (50 350 mW)
E1
Labsorption dun photon de pompe permet la
transition entre les états dénergie E1 ? E3
Transition rapide E3 ? E2 Population E2 gt
population E1 (inversion) ? émission
stimulée

• Gain 20-30 dB
• Pout 13 23 dBm
• Bande de gain
• 1530-1562 nm (bande C)
• 1530-1605 nm (bande L)

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Amplificateur à fibre dopée Er3
Evolution des populations
Gain par unité de longueur
sa et se sections efficaces dabsorption/émissio
n
La courbe de gain est dépendante de linversion
de population n2 N2/NEr
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Amplification Erbium en régime WDM
Non-uniformité de la courbe de gain des
amplificateur EDFA
Solutions

• Pré-égalisation
• Fibre dopée à verre fluoré EDFA
• Filtre-égaliseur passif

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Techniques dégalisation de gain
Pré-égalisation des signaux
Sortie de chaîne dEDFA
Entrée
Sans pré-égalisation
Avec pré-égalisation
Nbre dEDFA et bande de gain réduits
Egalisation du gain de lamplificateur
Input
Output
Mux
Mux
Mux
Mux
Pompe
Pompe
Pompe
Pompe
Techniques réseaux photo-inscrits, films
diélectriques, Atténuation 1 à 10 dB en
fonction de la longueur donde et de
larchitecture de lEDFA NFtotal NF1 NF2
/(G1 . T) NF1 si G1T gtgt 1
40
Multiplexage en longueur donde
41
Plan de fréquence
Longueur donde de référence
Spectre dabsorption cyanure dhydrogène (H13C14N)
Système de stabilisation dune source
laser (laser DFB, laser à cavité externe)
42
Technologies de multiplexage
Exemple Multiplexeur 40 canaux, 100 GHz
Caractéristiques typiques - Espacements 25
(?), 50, 100 200 GHz - Nbr de canaux
variables 100GHz / 8 à 80 Ch - Gabarit de
filtre flat-top ou gaussien - pertes
dinsertion 2-3 dB - PDL lt 0.2 dB - Pas
de dépendance à la température
43
Familles de systèmes optique
44
Familles de systèmes
Fenêtre I (0.85 µm) Fibre multimode (2.5 dB/km)
/ Laser FP AsGa Fenêtre II (1.3 µm) Fibre
monomode (0.5 dB/km) / Laser FP InP ?
minimum de dispersion chromatique Fenêtre III
(1.55 µm) Fibre monomode (0.2 dB/km) / Laser
DFB ? minimum datténuation,
amplification optique
45
Dispersion limitation du produit débitdistance
(1)
Critère élargissement de limpulsion sf lt Tb/4
(Rb 1/Tb)
Tb

• Fibre multimode ? dispersion intermodale
• Saut dindice BL c/(2n1D) D 10-2 ?
  BL 10 Mb/s km
• Gradient dindice BL 2c/(n1D2) D 10-2 ?
  BL 1 Gb/s km
• Fibre monomode ? dispersion chromatique sf
  D Dl L
• E m(t) . exp(jwot f(t)) ?
  Sopt(f) Slaser(f) ? Sm(f)
• Laser FP Slaser gtgt Sm (spectre démission ?
  Slaser 2-4 nm)
• BL lt (4D Dl )-1
• D 1 ps/nm/km, Dl 2 nm ? BL 125
  Gb/s km
• Laser DFB Slaser ltlt Sm (spectre démission ?
  Sm Rb)
• B2L lt c /(4Dl2 ) (avec Dl Rb
  l2/c)
• D 17 ps/nm/km, B2L 6000 Gb2/s km

46
Dispersion limitation du produit débitdistance
(2)
47
Familles de systèmes

• 1ère génération fibre multimode 0.85 µm
• R lt 50 Mb/s ? liaisons très courtes
  distances
• Limitation par latténuation
• Faible bande passante
• Application réseaux locaux ( ? technologies
  bas coût)
• 2ème génération fibre monomode
• R lt 560 Mb/s ? Liaisons courtes
  distances
• Dispersion chromatique faible à 1.3 µm
• Utilisation de laser FP
• Application réseaux daccès (lt 50 km)
• 3ème génération laser mono-longueur donde
  (structure DFB)
• R lt 2.5 Gb/s ? Liaison moyennes
  distances
• Dispersion chromatique élevée à 1.55 µm
• Modulation directe de laser DFB
• Application réseaux métropolitains (lt 150 km)

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Minimisation de la dispersion chromatique

• La distance maximale transmissible dune liaison
  amplifiée
• est limitée par la dispersion chromatique de la
  fibre.
• Utilisation de fibres à dispersion décalées
• Dguide et Dmatériau sont de signe opposé
• La dispersion guide est déterminée par le
  profil dindice du cur
• La dispersion guide est  exacerbée  ?
  dispersion totale faible

1.55 µm SMF 17 ps/nm/km DSF lt 0.1
ps/nm/km NZ-DSF 4-8 ps/nm/km DCF -100
ps/nm/km
4ème génération systèmes mono-l (amplification
en ligne, fibre DSF) ? Systèmes
trans-océaniques 5 Gb/s gt 10 000 km
49
Systèmes WDM à gestion de dispersion
Suppression de la dispersion accumulée
Fibre de ligne
Fibre de compensation
D L DcompLcomp 0
5ème génération systèmes WDM longue distance
50 100 km
Limitation bruits des EDFAs, effets
non-linéaires (interaction NL entre
canaux Performances 1000 à gt10000 km en
fonction du pas damplification
50
Réseaux tout optiques
51
Réseaux tout optiques
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Commutateur tout optique

• Technology
• Multiplexeurs/Demultiplexeurs
• ? adressage mono-l
• Commutateurs spatiaux
• ? routage fibre m vers fibre m
• Convertisseurs en l
• ? matrice sans blocage

1
1
Optical Switch Matrix NMNM (MEMS)
1
1
M
M
1
1
N
N
M
M
l-Demux
l - Mux
Tunable wavelength converter
53
Perspectives
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Les communications optiques  tirées  par les
évolutions technologiques

• Brasseurs WDM

• Brasseurs WDM

• Filière doptique intégrée
• pour dispositifs HD-WDM

• Systèmes HD-WDM
• anneaux WDM,

• sources WDM

• Systèmes WDM

• optical amplifiers

• Transmission mono-l gt 10000 km

• Fibres

• Systèmes point-à-points

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Accroissement de la bande spectrale