Notes sur la transmission optique - 1° partie., Notes de Fondements informatiques
Francine88
Francine888 January 2014

Notes sur la transmission optique - 1° partie., Notes de Fondements informatiques

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Notes de fondements informatiques sur la transmission optique -1° partie. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Eléments de base de la liaison optique, Composants optoélectroniques, Caractéristiques des E/R la...
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Microsoft PowerPoint - 4ITR optique [Mode de compatibilité]

La transmission Optique Dr. Ing. Noureddine Idboufker

n_idboufker@yahoo.fr

1GRT5

2009

Transmission optique

La transmission optique – Principe et éléments de base de la liaison optique

– Composants optoélectroniques

– Caractéristiques des Emetteurs / Récepteurs lasers et de la FO

– Répéteurs / régénérateurs optiques

– Le multiplexage optique

2GRT5

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Eléments de base de la liaison optique

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Eléments de base de la liaison optique

• Une interface optique d’émission

• Une interface optique de réception

• Des répéteurs

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• Une interface optique d’émission – transformer le signal électrique en signal optique.

Eléments de base de la liaison optique

– contient principalement le composant optoélectronique d’émission, qui peut être :

• une diode électroluminescente (DEL)

• ou une diode laser (DL).

– contient également des circuits d’adaptation et de protection ;

– reliée au câble soit par une embase de connecteur, soit par une f b ’ l f d

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i re amorce qu i aut raccor er.

– La modulation est en général une modulation d’intensité lumineuse obtenue par la modulation du courant qui traverse la diode d’émission.

• Une interface optique de réception

– contient une photodiode qui convertit le signal optique reçu en signal él i

Eléments de base de la liaison optique

ectr que

– de type

• PIN (Positive Intrinsec Negative)

• ou de type PDA (à effet d’avalanche).

– suivie d’un préamplificateur, dont la réalisation doit être soignée car c’est en général le bruit de celui-ci qui limite la puissance

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optique minimale détectable, et donc la portée du système.

– Suivant les applications, on trouve ensuite des circuits de filtrage ou de remise à niveau logique.

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• Des répéteurs – Lorsque la longueur de la liaison le nécessite, on insère un ou plusieurs

Eléments de base de la liaison optique

répéteurs

– Les répéteurs contiennent des interfaces de réception et d’émission reliés par des circuits d’amplification, et de régénération pour les transmissions numériques.

– Plutôt que de ramener le signal sous forme électrique pour l’amplifier, on utilise de plus en plus l’amplification optique dans des fibres dopées Erbium, pompées par laser

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Composants optoélectroniques

• L’optoélectronique exploite essentiellement les phénomènes d’électroluminescence dans les semi-conducteurs pour les photoémetteurs et les phénomènes en quelque sorte inverses pour les

éphotor cepteurs.

• L’électroluminescence, phénomène par lequel une excitation électrique donne lieu à l’émission d’une radiation électromagnétique.

• Parallèlement au développement des émetteurs, la technique des semi conducteurs a permis de réaliser des photorécepteurs présentant

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des caractéristiques en parfaite concordance avec les émetteurs et de concevoir des associations optoélectroniques de qualité.

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Composants optoélectroniques

• Afin d’obtenir une émission lumineuse en quantité suffisante, le matériau de base dans lequel est formée la jonction, est dopé jusqu’à la dégénérescence.

L’électroluminescence Principe physique et principales caractéristiques

La longueur d’onde λ de la radiation émise :

9GRT5

– h : constante de Planck 4,13610−15 (eV.s)

– c : vitesse de la lumière dans le vide 3.108 ms−1

– Eg : Energie de gap ou largeur de bande interdite (eV), qui dépend du matériau semi-conducteur.

Composants optoélectroniques

Longueurs d’onde et matériaux

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Composants optoélectroniques

L’électroluminescence

– Les diodes électroluminescentes infrarouges

– Les diodes électroluminescentes visibles

– Les afficheurs à diodes électroluminescentes

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Composants optoélectroniques

L h t é tia p o or cep on

– Les photorésistances ou cellules photoconductrices

– Les photodiodes

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L= Light A= Amplification S= by Stimulated

Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

E= Emission R= of Radiations

L’effet LASER correspond à la transformation  d’une énergie d’origine quelconque 

en énergie lumineuse

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L’objectif est de disposer d’un faisceau lumineux cohérent de  forte énergie

Décrit par Towns en 1958 : application récente

Mode de production LASER

Premier principe: émission stimulée

Deuxième principe : la multiplication

Troisième principe : inversion de population

Quatrième principe: milieu actif

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Mode de production LASER

Premier principe: émission stimulée

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Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

Principe du laser

Chaque atome d’un cristal est caractérisé par un niveau d’énergie.

– Les niveaux très proches de tous les atomes d’un cristal forment des bandes d’énergie .

– Dans les semi-conducteurs, à la température du zéro absolu, il existe une bande, appelée bande de valence, dont tous les états d’énergie sont occupés par des électrons.

– Toutes les bandes supérieures sont vides, en particulier la bande de conduction située immédiatement au dessus de la bande de valence.

– Ces deux bandes sont séparées par une largeur ∆eg appelée bande i di Ni d’é i

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nter te veaux nerg e

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Absorption : Sous l’effet de l’agitation thermique, ou de tout  apport d’énergie extérieure, par exemple provenant d’un  photon, un électron peut s’arracher à son atome d’origine pour  se déplacer librement dans le cristal

Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

          . 

• L’électron passe ainsi de la bande de valence à la bande de  conduction.

• Cet électron laisse dans la bande de valence une lacune  d’électron appelée trou qui se déplace aussi lorsqu’un électron  voisin le remplit L’atome est alors dans un état excité

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    .             

Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

• Emission spontanée

• Emission stimulée

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Emission spontanée : – Un atome dans l’état fondamental n’émet pas de lumière.

– Par contre un atome excité est dans un état instable.

Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

– Il tend à revenir spontanément dans son état fondamental en libérant la quantité (quantum) d’énergie qu’il a reçue sous la forme d’une radiation lumineuse (photon).

– Cette émission de photon est appelée émission spontanée.

– L’énergie du photon émis est : E = E2 − E1 = hν

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Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

• Un atome dans l’état excité frappé par un photon peut retomber dans l’état  fondamental en émettant un autre photon : Il s’agit d’émission stimulée. 

• Ce nouveau photon produit par émission stimulée a la même longueur                      d’onde, la même phase, le même état de polarisation et la même directivité  spatiale que le photon incident: La lumière émise par émission stimulée est  cohérente. 

• Le laser émet de la lumière cohérente par émission stimulée.

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Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

• Pour favoriser l’émission stimulée et obtenir l’effet laser deux  conditions doivent être réalisées :

• Il faut qu’il y ait suffisamment de systèmes dans l’état d’énergie                      supérieure (état excité). 

– Pour cela il faut créer une inversion de population, qui consiste à mettre  suffisamment d’électrons dans la bande de conduction.

– Dans les semiconducteurs, on obtient cette inversion de population par  pompage optique ou électrique.

Il f ’il i ffi d h i P l

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•   aut qu  y a t su samment  e p otons exc tateurs.  our ce a  on oblige l’énergie lumineuse à s’accumuler sur place en  enfermant le semiconducteur dans une cavité résonnante de  type Fabry‐Pérot.

Mode de production LASER

Deuxième principe : la multiplication

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La stimulation permet d’obtenir 2 photons cohérents c’est à dire : ‐ de même énergie ‐ en phase

Deuxième principe : la multiplication

‐ de même direction

Pour obtenir un faisceau LASER il est nécessaire de multiplier ce  phénomène La multiplication se fait dans une cavité optique

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cylindre  ‐ bordé par 2 miroirs dont 1 semi‐transparent

Quelques photons émis amorcent le processus Chaque photon émis stimule à son tours l’émission de photons tous en phase, émis par les atomes excités du milieu

Deuxième principe : la multiplication

En plusieurs allers‐retours entre les 2 miroirs : ‐ une sélection de direction s’opère ‐ le nombre de photons cohérents augmente

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Quand le signal est suffisamment intense le miroir semi transparent laisse sortir  le faisceau LASER

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Les principes de stimulation et de multiplication sont‐il  suffisant pour produire un faisceau LASER ?

Non 

car normalement les atomes constitutifs d’un milieu sont très majoritairement présents dans un état 

f d l ( bl )

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on amenta   sta e

=> Nécessité d’augmenter la proportion d’atomes excités

L’équation de Boltzmann permet de connaître le nombre d’atomes à un niveau d’énergie donnée : 

Troisième principe : inversion de population

Ni = A. e –Ei/kT avec A= constante de proportionnalité k= Cste Boltzmann = 1.38 10 ‐23 J/°K T= température en ° Kelvin

La proportion d’atomes entre 2 niveaux d’énergie E2 et E1 est 

N2/N1 = e –(E2‐E1)/kT

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Exemple : Si l’écart d’énergie entre un niveau stable (E1) et un état excité (E2) est de 0.5eV à 27°C (300°K), 1eV= 1.6 10‐19 J

alors N1/N2 = 2.46 108

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Pour que le phénomène d’émission stimulée puisse  s’amplifier il est  nécessaire que :  Nb atomes excités >> Nb d’atomes stables :

Troisième principe : inversion de population

plus il y a d’atome excités plus l’émission stimulée sera importante s’il y a trop d’atomes stables, les photons stimulés émis par les atomes 

excités voisins, seront absorbés par ces atomes stables

Cette configuration s’appelle l’inversion de population

Elle s’obtient par l’apport d’énergie extérieure qui va exciter les atomes

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                      du milieu, ce processus est décrit sous le nom de pompage

Pompage optique découvert seulement en 1949 (A Kesler)

Pompage Optique : Apport au milieu d’énergie lumineuse :  les photons émis par la source lumineuse sont absorbés par le milieu et 

Troisième principe : inversion de population

peuple le niveau d’énergie supérieur

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L’inversion de population ne peut être réalisée que pour certains types de  milieux

Milieux pour lesquels les atomes restent suffisamment longtemps dans un état 

Quatrième principe : Milieu Atcif

excité Nécessité d’avoir un modèle à 3 niveaux d’énergie

E2

2 niveaux

3 niveaux

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E1

Le faisceau LASER est cohérent :

Caractéristiques des LASER

photons de même énergie E=hn

Même longueur d’onde l (E= hc/l  et c= célérité dans le milieu considéré) faisceau est monochromatique

photons émis en phase Photons de  même direction

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Recap Laser

1. Pompage optique : une source de lumière externe excite les électrons de la bande de valence.

1 I i d l ti l b d’él t d l b d d . nvers on e popu a on : e nom re ec rons e a an e e conduction devient supérieur à celui de la bande de valence.

2. Émission stimulée : excitation par un photon externe pour produire deux photons de même longueur d’onde, phase, polarisation,..

3. Multiplication : confinement dans une cavité utilisant le

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système de miroirs dit Fabry-perot.

4. Production d’une source de lumière dite cohérente : LASER

Conséquences de la cohérence du LASER

1) Faisceau unidirectionnel ou parallèle => la fluence I (et le débit de fluence İ ) sont constant Fluence I = quantité d’énergie par unité de surface Débit de fluence İ = quantité d’énergie par unité de surface et de temps

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Application numérique

Comparaison du débit de fluence à 2m d’une lampe de 100W et d’un LASER (r= 2mm) de 100W:

- Lampe: S sphère = 4πR2 avec R= 200cm

=> İ = 100/(4.π.4 104)= 0.2 mWcm-2

- LASER: S cercle = πr2 avec r= 0.2cm

=> İ = 100/(π.0,04) = 795,7 Wcm-2

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Même comparaison à une distance de 10m

- Lampe: R= 1000cm => İ = 7,9 10-6 Wcm-2

- LASER: r= 0,2 cm => İ = 795,7 Wcm-2

Conséquences de la cohérence du LASER

2) Photons émis en phase et de même fréquence ⇒ augmentation de l’amplitude ⇒ augmentation de l’énergie du faisceau

Fréquence identiques phase différente

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Phase et fréquence identiques ,

Fréquences différentes

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Un miroir totalement

réfléchissant

Un miroir partiellement réfléchissant

"Cavité linéaire"

Un milieu actif Faisceau de sortie

Un dispositif de pompage

Amplificateur

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Si les miroirs sont parallèles, on peut obtenir l’effet "laser"

pompage

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Émission stimulée par certains photons d’émission spontanée !

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pompage

miroir totalement

réfléchissant

miroir partiellement réfléchissant

amplification

Faisceau

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laser de sortie

Comparaison 

Lumière ordinaire,                              Lumière LASER,

La lumière ordinaire est :  La lumière LASER est  De plusieurs couleurs d’une seule couleur

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Multidirectionnelle Unidirectionnelle

Désordonnée : pas en phase  Ordonnée ou en phase

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Caractéristiques des émetteurs

– Les lasers se caractérisent par l’étroitesse de la longueur d’onde qu’ils

Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

émettent.

– Le spectre émis se compose de plusieurs raies centrées autour de la longueur d’onde principale.

– La longueur d’onde centrale est donnée par la composition du matériau.

– Pour les télécommunications on choisit une composition de GaInAsP qui

émette à 1.3 ou 1.55 µm.

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– L’espacement des raies appelé Intervalle Spectral Libre (ISL) est donné par :

• la longueur L de la cavité Fabry- Pérot,

• l’indice n de la couche active du laser,

• et la longueur d’onde centrale λ.

Caractéristiques des récepteurs

Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

– Une directivité importante à la longueur d’onde utilisée (de 0.8 à 1.55 µm).

• S = Détectivité = photocourant / (puissance optique incidente)

• elle s’exprime en (A/W).

– La rapidité. Il faut pouvoir utiliser le photodétecteur jusqu’à des débits de plusieurs dizaines de Gbit.s−1.

Apporter le minimum de bruit au signal lors du processus de détection

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– .

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Directivité

• On peut éclairer à partir de la terre 1m2 de la surface de la lune !!!

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Lumière visible  

Infra Rouge Ultra Violet

Longueurs d'onde utilisées

l

‐ ‐

F = c / l

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3 longueurs d’onde utilisées en communications optiques

850 nm 1300 nm 1550 nm l

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Concepts de l'optique

• Optique "géométrique"

– Rayons lumineux rectilignes utilisés pour la description des instruments  optiques classiques (lentilles, lunettes,…)

• Optique "ondulatoire"

– Les rayons peuvent être perçus comme des ondes électromagnétique qui 

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se propagent.

Vitesse de propagation

• Vitesse de propagation de la lumière dans le vide :  C 300 000 km/s (Célérité) =       

• La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu est : Vitesse de propagation = C / n ( n = indice de réfraction )

• Les principaux indices de réfraction sont :

– 1 pour le vide

– 1 003 pour l'air

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,  

– 1,3 pour l'eau

– 1,5 pour le verre

– 2 pour le diamant

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L'indice absolu n1 d'un milieu est le rapport entre la vitesse de la lumière  dans le vide et la vitesse de la lumière dans le milieu considéré.

Indice optique d'un milieu

1 1 c

c n =

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Vitesse de la lumière : c = 299792,5 km/s

Le support de transmission 

• La fibre optique est un guide d’onde qui exploite les propriétés  réfractrices de la lumière. 

• Elle est habituellement constituée d’un coeur entouré d’une                gaine. 

• Le coeur de la fibre a un indice de réfraction nc légèrement plus  élevé (différence de quelques millièmes) que l’indice ng de la  gaine 

• Cette différence d’indice doit confiner la lumière qui se trouve 

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entièrement réfléchie de multiples fois à l’interface entre les  deux matériaux

• L’ensemble est généralement recouvert d’une gaine plastique de  protection optique

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Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

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Propagation dans la fibre optique

• Lorsqu’un rayon lumineux entre dans une fibre optique à l’une  de ses extrémités avec un angle adéquat, il subit de multiples  réflexions totales internes. 

• Ce rayon se propage alors jusqu’à l’autre extrémité de la fibre  optique sans perte, en empruntant un parcours en zigzag. 

• La propagation de la lumière dans la fibre peut se faire avec très  peu de pertes même lorsque la fibre est courbée. 

• Lorsqu’un rayon lumineux entre dans une fibre optique à l’une

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                    de ses extrémités avec un angle adéquat, il subit de multiples  réflexions totales internes. 

• La propagation de la lumière dans la fibre peut se faire avec très  peu de pertes même lorsque la fibre est courbée. 

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Propagation dans la fibre optique

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La réflexion

Théorèmes optiques

 

La réfraction

La diffusion

L'absorption

50GRT5

La diffraction 

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