les fibres optiques pierre lecoy professeur ecp /ensea option ese 2009
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LES FIBRES OPTIQUES
Pierre LECOY
Professeur ECP /ENSEA
Option ESE 2009
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 2
FIBRES OPTIQUESAvantages des fibres optiques :• Performances de transmission :
très faible atténuationtrès grande bande passantemultiplexage en longueur d’onde possible
• Avantages de mise en oeuvre :faible poids, très petite taille, grande souplessesécurité électrique (isolation) et électromagnétique
• Avantage économique :coût global du système souvent inférieur à celui d'un système “ sur cuivre ”
0,2 dB/km
Portée > 100 km
10/40 Gbit/s par
Plusieurs Tbit/s !
Insensible aux perturbations
Sécurité des informations
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 3
Insensibilité aux perturbations
FIBRES OPTIQUESDomaines d’utilisation :• Télécommunications et réseaux :
Liaisons longue distance, terrestres et sous-marines (WAN)Réseaux métropolitains (MAN)Réseaux locaux informatiques (LAN)Réseaux d’accès des abonnés
• Capteurs et instrumentation optique
• Transport de lumière
Marché fortement cyclique
Toujours en croissance
Redémarrage du marché(FTTH)
éclairage, visualisation, faisceaux laser …
• Liaisons industrielles et embarquées :contrôle, video, bus de terrain …interconnexions dans une carte ou une puce
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 4
FIBRES OPTIQUES
• Eléments d’un système sur fibres optiques :
signalélectrique
Interface Optique d'Emission
Fibre Optique
signalélectrique
(IOE)
Interface Optique deRéception (IOR)
(signal optique)
multiplexeur
Amplificateur optique(répéteur-régénérateur pour les
anciennes liaisons)
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 5
revêtement
FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• A saut d’indice (step index) :
Cône d'acceptance
0
z
Cœur (indice n1) r
a b
Gaine (indice n2)
n(r)
Rayon guidé
Rayon réfracté
Angle limite : n1.cos 0 = n2
ouverture numérique ON = sin 0 = n1 sin0 = 22
21 nn
Forte différence de temps de propagation
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 6
FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• A gradient d’indice (graded index) :Cœur : indice n(r) r
0z
a b
Gaine (indice n2)
n(r)
n1
Indice du cœur : n(r) = n1
Différence relative d’indice =
2)r/a(21
1
21
nnn
Faible différence de temps de propagation
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 7
FIBRES OPTIQUES MULTIMODESà saut d’indice à gradient d’indice
Dispersion intermodale
élevée(im 100 ns/km)
faible(im 1 ns/km)
MatériauxPlastique
Silice/siliconetoute silice (rare)
Toute silice(cœur « dopé » à l’oxyde de
germanium)
Ouverture numérique
élevée(ON = 0,4 à 0,5)
plus faible(ON = 0,2 à 0,3)
Puissance couplée élevée plus faible
Applications Optiques (éclairage, etc …)Trans. données très courte
distance
réseaux locaux
distribution
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 8
FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• Réponse impulsionnelle h(t) :
t
Impulsion émisee(t)
t
Impulsions reçuess(t) = e(t)*h(t)
im
fibre à gradient d'indice
im
fibre à saut d'indiceEffet de la dispersion
intermodale
• Elargissement total d’impulsion : 2
im2c
Effet de la dispersion
chromatique
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 9
FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• Réponse fréquentielle :
- 3 dB
20 log H(f)/H(0)
f0
• Bande passante :BP 1/2
BP (gi)
fibre à gradient d'indice
BP (si)
fibre à saut d'indice
en MHz.km
• le produit longueur x bande passante est constant
approximativement
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 10
FIBRES OPTIQUES MONOMODES• Condition de propagation monomode :
V (fréquence réduite) = < 2,4
• il faut donc :• un petit diamètre de cœur (typ. moins de 10 µm) • une faible différence d’indice (typ. moins de 0,5%)
c longueur d’onde de coupure• Avantages : - pas de dispersion intermodale
Applications en instrumentation
22
21 nna2
très grande bande passante très hauts
débits
• Inconvénient : raccordements très précis donc coûteux
Ce n’est pas la fibre qui est chère !
mais pas infinie (dispersions chromatique
et de polarisation)
- conservation de la cohérence de la lumière
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 11
0
FIBRES OPTIQUES MONOMODES• Caractéristiques : Divergence du
faisceau en sortie : 0 = w0
Profil gaussien du champ
E(r) = E0. exp -(r/w0)2
r
n2
n(r)n1 z
gaine
cœur 2a
r
E(r)
2w0
Profil à saut d’indice(fibre standard)
diamètre de modeaugmente avec
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 12
FIBRES OPTIQUES MONOMODES• Dispersion chromatique :
– entraîne un élargissement d’impulsion :c = Dc. .L
Défauts de la fibre + biréfringence induite
(contraintes … )ps/nm/km
• Dispersion de polarisation (PMD, polarisation mode dispersion)
• existence de 2 polarisations de vitesses différentes
• entraîne un élargissement : p = PMD.L
ps/km Caractère aléatoire
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 13
DISPERSION CHROMATIQUE• Courbe dans la silice : Dc = DM + DG
Dc (ps/nm/km)
m
40
20
0
-20
-40
1 1,2 1,4 1,6
Dispersion matériau DM
Fibre standard G652 : optimale à 1,3 m utilisable à 1,5 m (liaisons pas trop longues)
Fibre à dispersion décalée(DSF) G653 nulle à 1,55 m
Fibre NZ-DSF G655(non zero – dispersion shifted fiber)Dispersion faible dans toute la 3ème fenêtre
Adaptée au WDM(mux. en longueur
d’onde)+ compensation optique de la dispersion
Pas adaptée au WDM
Dispersion guide < 0 dépend des paramètres
de la fibre
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 14
ATTENUATION• Atténuation intrinsèque des fibres de silice :
Diffusion Rayleigh
Pic OH
1ère 2ème 3ème fenêtre
fibre multimode
coupure des modesd’ordre supérieur
fibre monomode
Absorption infrarouge
0,1
5
2
(dB / km)
1
0,5
0,2
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 µm
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 15
Quelques applications :Capteurs mécaniques
Pinces de contrôle de trafic
PERTES EXTRINSEQUES• Fuite de lumière ….
– par courbureou microcourbures
– aux raccordements
• réduites par …• le choix de la fibre (forte ON)• la structure du câble• la précision des connecteurs
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 16
FENETRES DE TRANSMISSION• sur fibres optiques de silice :
Fenêtre Première Deuxième Troisième
Longueur d'onde 0,78 à 0,9 µm 1,3 µm 1,5 à 1,6 µm
Type de fibre utilisées
multimodemultimode etmonomode monomode
Atténuationtrès faible
(0,2 dB/km)
Dispersionchromatique
faible, non nulletrès faible dans les
fibresà dispersion décalée
faible(0,4 à 1 dB/km)
forte(2 à 4 dB/km)
forte
quasi nulle
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 17
FENETRES DE TRANSMISSIONFenêtre Première Deuxième Troisième
Emetteurs :
type
DEL ;lasers VCSEL
(très hauts débits)
D.E.L.(multi-)D.L. standard (dans mono-)
diodes laser DFB(monochromatiques)
Récepteurs : matériau
Silicium GaInAsP / InPGe, HgCdTe (très peu employés)
Coût descomposants
faible moyen élevé
Applications
Transmissions courte distance ;réseaux locaux ;
gigabit à très courte distance
Transmissions moyennes et
longues distance ; MAN et LAN
haut débit
Transmissionstrès longue distance
(WAN) et à amplification optique
Multiplexage
entre les deux fenêtres(par exemple : une par sens)
"Dense"(nombreux canaux
dans la même fenêtre)
GaInAsP / InPmatériau GaAlAs/GaAs
FTTH
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 18
PRINCIPAUX TYPES DE FIBRESMatériau Plastique Toute silice (cœur « dopé » au GeO2)
Type Multimode saut d’indice
Multimode gradient d’indice
Monomode standard
Monomode disp. décalée
Diamètrescœur / gaine (m)
980/1000 50/125 62,5/125 9/125 7/125
Longueurs d’ondeet atténuation
Visible200 dB/km
0,85 µm – 1,3 µm3 dB/km – 0,9 dB/km
1,3 – 1,55 µm0,5 – 0,2 dB/km
1,5 à 1,6 µm0,22 dB/km
Débits typ.et distances
10 à 100 Mb/s
100 m
100 Mb/s /5 km
1 Gb/s /400 m
100 Mb/s
2 km
1 à 10 Gbit/s20 à 50 km
n x 10 Gbit/smilliers de km
Mise en œuvrepb. particuliers
Facile température
Assez facile Plus délicateraccordements
Coût global Faible Assez faiblePlus élevé (interfaces,
connecteurs)
Applicationsprincipales
Eclairage, visualisation,
trans. données très courte
distance
Distribution, LANs hauts
débits(GE courte distance)
LANs tous débits
LANs très hauts débits,
MANs,FTTH/PON,
moyennes dist.
Liaisons très longues (avec amplificateurs
et WDM)
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 19
CABLES A FIBRES OPTIQUES
Doc. ACOME
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 20
CONNECTEURS OPTIQUES
Grande variété !
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 21
COMPOSANTSDES SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES
Type
Technologie
Optique
passif
Optique
actif
Optique non réciproque
Opto-électronique
Verres(fibres assemblées
ou substrats de verre)
CoupleursFiltres
AtténuateursMultiplexeurs
Commutateurs (lents)
Amplificateurs à fibres ou
verres dopés
Cristauxde type LiNbO3
id.Modulateurs
CommutateursIsolateurs
Semi-conducteurs
III – V ou Si
id. id. Amplificateurs
à s-c
Emetteurs
Récepteurs
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 22
COUPLEURS
• Coupleur en X • Coupleur en Y
fibres abrasées et collées, ou fusionnées par la tranche
demi-coupleur en X
• partage de la puissance en 2 parts, égales ou non (splitter)
-3dB
• regroupement de signaux
! pertes réciproques
-3dB
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 23
COUPLEUR EN ETOILE
• à fibres torsadées et fusionnées
perte : 10 log n (théorique)+ perte en excès
Pe
Pe/n
n fibres
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 24
MULTIPLEXAGE EN LONGUEUR D’ONDE
Différents types :
• à deux voies (ou deux fenêtres) ;peu sélectif
Intérêts : - augmente la capacité des liaisons (même déjà installées)
- permet des réseaux multiterminaux
• à plusieurs voies proches :DWDM, Dense Wavelength
Division Multiplexing
CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 25
MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE
• de type : à deux voies,technologie à filtres dichroïques
entre deux fenêtres de transmission
Filtre dichroïque
1 et 2 1, transmis
2 réfléchi
Permet le multiplexage de signaux en sens
identiques ou opposés
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 26
MULTIPLEXEUR EN LONGUEUR D’ONDE
• Principe du réseau de diffraction (grating) diffraction par une surface gravée + interférences
ordre 2
ordre 1
sin m = m
onde plane incidente (fibre accès commun)
Vers fibres à accès sélectif
Applications :• (dé)multiplexeurs en • analyse spectrale
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 27
fibre (ou guide) optique
zone où l’indice est modulé périodiquement (pas = )
RESEAUX DE BRAGGBragg gratings
• Principe des réseaux de Bragg photoinscrits :
une seule longueur d’onde est réfléchie:celle pour laquelle il y a accord de phaseentre les réflexions élémentaires : = .2n
• Applications : filtres, (dé)multiplexeurs, capteurs d’allongement
les autres sont transmises
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 28
MULTIPLEXEUR D’INSERTION- EXTRACTION
• OADM, Optical Add-Drop Multiplexer
• permet d’extraire un signal, et d’en insérer un autre à sa placesans démultiplexer l’ensemble
i extrait(signal 1)
i inséré(signal 2)
réseau de Bragg à i
circulateurs
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 29
MODULATEUR OPTIQUE
• Interféromètre de Mach – Zehnder : utilisation de l’effet électro-optique en optique intégrée
+V
-V
: rien
EntréeSortie
Bras de l'interféromètre
= 0 : tout
électrodes
Applications :• Modulation tout ou rien
• Modulation analogique (en cos2)• Modulation de phase à 2 états
avec = (formats duobinaire ou DPSK)
Le champ modifie l’indice, donc la phase
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 30
MODULATEUR OPTIQUE
lumière continue
Signal (10 à 40 Gbit/s)
lumière modulée
• pour modulation externenécessaire à très haut débit
à plus bas débit, la modulation interne est
possible, et plus économique
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 31
COMMUTATEURS OPTIQUES• Technologies :
Rapidité Encombrementconsommation
Capacité Applications
Mécanique 100 ms importantfaible
Faible Sécurisationde réseaux
Micromécanique (MEMS)
ms faiblemoyenne
Elevée Brasseurs(matrices)
Optique intégrée(acousto- ou electro-optique)
µs à ns importantélevée
Assezfaible
Commutation temporelle
3D(ex. holographiques)
ms / s moyenfaible (LCD)
Trèsélevée
Brasseurs(matrices)
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 32
COMMUTATEUR OPTIQUE
• « switch » à deux voies
Doc. DICON Mode de fonctionnement
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 33
COMMUTATEUR OPTIQUE• Matrices de commutation à micromiroirs
Exemple de réalisation en MOEMS(Micro Optical Electrical Mechanical Structure) ; Lucent, 2000
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 34
MATERIAUX ELECTROLUMINESCENTS
• Semi-conducteurs III-V : III IV V
B C N
Al Si P
Ga Ge As
In Sn SbGaAs 1ère fenêtre infrarouge ( = 900 nm)
Ga1-x Alx As entre 700 et 900 nm en fonction (décroissante) de x
Ga1-x Inx Asy P1-y 2ème ou 3ème fenêtre infrarouge
( = 1200 à 1600 nm en fonction croissante de x et y)Ga1-x Inx Asy Sb1-y autour de 2,5 µm
Ga Asx P1-x du jaune au rouge
GaP vert ( = 565 nm)
GaAlP rouge à haut rendement
GaN/InGaN bleu ( = 440 nm) lecture de disques optiques, visualisation …
• DEL blanches : par phosphorescence d’un matériau excité dans le bleu
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 35
EMETTEURS
• Diodes électro-luminescentes :
-
Emission dans la deuxième ou troisième fenêtre
(suivant composition de la couche active)
InP
n
p
+
GaInAsP
première fenêtre
Couches de
Couche active
substrat
Emission dans la
confinement
GaAs
GaAlAs
pn
+
-
GaAlAs
Principe de l’hétérojonction
Photons émisPhotons émis
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 36
Emission facearrière
Couches deconfinement
L
Isolant
Ruban Contactconducteur
Couche activeGaAlAs
Contactconducteur
Substrat
DIODES LASER
• Structure Fabry Pérot
Amplificationsi J > Jth
+ résonancepour p = 2Ln/p
Courant supérieur à un seuil
Spectre multimode (large)
courant
Emission face avantdiverge du fait de la diffraction
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 37
EMETTEURS
• Diodes laser : structure DFB(distributed feed-back)
Réseau de diffractionintégré sur le guide
Ruban enterré(couche active)
GaInAsP
Réflexion distribuéed’une seule longueur d’onde
n
Spectre monomode (étroit)
Composant coûteux !
coupe du coin
p
Substrat (InP)
npnn
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 38
Couche active
Miroir de Bragginférieur
Miroir de Braggsupérieur
Substrat
Contactsélectriques
EMETTEURS• Diodes laser : structure VCSEL
Composant de hautes performances mais économique à fabriquerApplications à 850 nm : courte distance et (très) hauts débits (10 Gbit/s)
lecture optique, impression …..
Test possible sur wafer
Emission de lumière(vertical cavity surface emitting laser)
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 39
Type DEL Laser VCSEL Laser FP Laser DFB
Puissance couplée 10 à 100 µW qq. mW qq. mW qq. mW
Emissionpar la surface,
divergentepar la surface, peu divergente
par la tranche, assez divergente
par la tranche, assez divergente
Longueurs d’onde 0,85 et 1,3 µm 0,85 µm 1,3 µm 1,3 et 1,55 µm
Spectre largeétroit
(une raie)assez large
(plusieurs raies)très étroit
(une raie très fine)
Caract. P(i) linéaire seuil, 5 à 10 mA seuil, 10 à 30 mA seuil, 10 à 30 mA
Fréquence max. de modulation 100 à 200 MHz plusieurs GHz
Coût très faible faible assez élevé élevé
Utilisations
transmission à courte distance
sur fibres multimodes
haut débit (typ. GE) à courte distance,
fibres multi. + lecture optique, imprimantes …
haut débit sur fibres monomodes à 1,3 µm, FTTH
très haut débit sur fibres mono.
surtout à 1,55 µm, systèmes WDM
EMETTEURS POUR FIBRES OPTIQUES
En recul
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 40
EMETTEURS
• Différents boîtiers : • Module à diode laser
Doc. NORTEL
en embase de connecteur
à fibre amorce
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 41
RECEPTEURS• Principe de la photodiode PIN
PhotonsCouche anti-reflets
Zoned'absorption
Substrat
p+
i
n
R
VE
Sensibilité spectrale :
S
1 m
GaInAsSi
iS = S.P photocourant
S sensibilité de la photodiode (en A/W) = q/hiD courant d'obscurité
trousélectrons
non dopée(i = intrinsèque)
i = iS + iD
responsivityBruit quantique :<iq
2> = 2q.i.Fdark current
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 42
PEB. Féquivalente
BRUIT DU RECEPTEUR
• Modèle (simplifié) :Bruit de fond électronique
<iF2> indépendant de P
iS=S.PP
Bruit quantique (ou bruit de grenaille)
<iq2> = 2qSP.F
Rapport signal / bruit : RSB = (SP)2
<iq2> + <iF2>
Puissance équivalente de bruit : PEB = SF/i2F
pW/Hz
d’où RSB = FPEB
P2
2
optique
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 43
TRANSCEIVER• Module d’émission - réception
Doc. NORTEL
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 44
AMPLIFICATION OPTIQUE• Principe dans une fibre dopée Erbium :
(EDFA, erbium doped fiber amplifier)
à 0,8 µm
Absorption :
à 0,98 µm à 1,48 µm
niveaux d'énergie
niveaux élargis par effet Stark
E
transitions non radiatives
transition radiativeà 1,536 µm
Amplifie autour de 1,5 m
Autres matériaux :
Neodyme (Nd) à 1,06 m
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 45
amplification
AMPLIFICATION OPTIQUE• Spectre dans l’erbium :
Spectre d'émission(fluorescence)
1,45 1,50 1,55 1,60 µm
Section efficace
(10-25 m2)
6
4
2
0
pompage
Spectred'absorptionAmplifie de nombreuses
longueurs d’onde
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Pierre LECOY - Fibres optiques ESE 46
fibre amplificatrice
AMPLIFICATEUR OPTIQUEA FIBRE DOPEE ERBIUM
• Schéma (amplificateur unidirectionnel, pompage vers l'aval) :
= soudure
diode laserde pompe
Photodiodede contrôle
filtreisolateur sortieisolateurentrée
Multiplexeur
fibres adaptatrices
• avantages : amplifie un grand nombre de longueurs d’ondes• simple car pas d’électronique haut débit
• mais … pas de régénération ne compense pas la dispersion accumulation du bruit et des effets non linéaires