Soutenance mémoire
Il n’y a pas si longtemps, lorsque les systèmes numériques les plus rapides transmettaient l’information à un débit de 270 Mbits/s, le câble coaxial était parfaitement à même de remplir son rôle de support de transmission. Mais avec l’apparition des nouveaux services liés au développement du multimédia, un besoin d’un débit de transmission d’informations plus élevé est apparu, et une alternative au câble coaxial était à trouver : pertes trop élevées, courtes distances de propagation, performances limitées. La fibre optique remplit très bien ce rôle de support de transmission. Son utilisation est désormais courante dans les réseaux de télécommunications.
Mais aujourd’hui, l’essor de l’Internet est tel que l’évolution des systèmes de télécommunications tend toujours vers une augmentation des capacités de transmission. La difficulté majeure ne réside plus vraiment sur le support, possédant une large bande passante et de faibles atténuations, mais sur les modules d’émission et de réception, regroupant l’électronique rapide et les fonctions optoélectroniques. Jusqu’au début des années 90, l’amplification dans les lignes longues distances était assurée par des dispositifs optoélectroniques qui nécessitaient une conversion électrique-optique en entrée et optique-électrique en sortie ce qui limitait le débit des réseaux à celui des répéteursrégénérateurs 2Gbit/s au mieux. L’avènement des amplificateurs à fibre optique dopée aux terres rares et en particulier à l’erbium (EDFA pour Erbium Doped Fiber Amplifier) a rendu possible. Cependant les EDFA fonctionnent dans la troisième fenêtre des télécommunications optiques autour de 1,55 μm, longueur d’onde qui coïncide bien avec le minimum d’atténuation linéique des fibres alors que la plupart des réseaux installés sont constitués de fibres monomodes optimisées à 1,30 μm, longueur d’onde pour laquelle leur dispersion chromatique est quasi nulle. La mise en œuvre des EDFA a donc nécessité l’insertion au sein des lignes de transmission de modules réalisant la compensation de la dispersion chromatique des fibres optiques qui est de l’ordre de 17 ps/(nm.km) à 1,55 μm .
Un avantage des EDFA est le fait qu’ils présentent une bande spectrale d’amplification de 30 à 40 nm. Il est donc possible d’amplifier simultanément plusieurs canaux de longueurs d’onde voisines dans cette plage sur une même fibre. Cette technique appelée multiplexage en longueur d’onde ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) permet de multiplier le débit des réseaux de télécommunications par le nombre de canaux. Cependant le positionnement, l’ordre des modules d’amplification et de compensation de dispersion chromatique au sein de la ligne engendrent des problèmes d’optimisation en termes de qualité de réception des signaux transportés. En effet la dégradation du signal varie selon le type de compensation utilisé. En outre, le besoin de limiter les coûts de production, l’encombrement et le poids des lignes ont suscité l’intérêt de développer une fibre optique capable de réaliser à la fois les fonctions d’amplification et de compensation de dispersion.
ETAT DE L’ART
Information
L’information est un concept physique nouveau qui a surgi dans un champ technologique. Le concept théorique d’information a été introduit à partir de recherches théoriques sur les systèmes de télécommunication. L’origine de ces recherches remonte aux études entreprises dès la fin du XIXe siècle, en physique et en mathématique par Boltzmann et Markov sur la notion de probabilité d’un événement et les possibilités de mesure de cette probabilité. L’information est au cœur de nos sociétés modernes : presse, téléphonie, données météorologiques, Internet… De nombreux vecteurs concourent à nous transmettre les messages porteurs de ces informations. Les machines associées à des outils informatiques sont elles aussi soumises à un flux de données provenant de capteurs susceptibles d’améliorer leur performance et leur sécurité. Les flux d’information sont ainsi omniprésents dans notre quotidien. Au-delà du traitement qui est fait de ces informations tant par l’humain que par la machine, il importe avant tout que celle-ci soit communiquée en toute fidélité à son destinataire. En d’autres termes, il faut impérativement que le message reçu soit l’exacte réplique du message émis.
Chaîne de transmission
La chaîne de transmission de l’information, dans sa structure fonctionnelle la plus simple, est constituée d’:
• Un émetteur ;
• Un canal de transmission ;
• Un récepteur.
Par analogie avec l’humain, l’émetteur « parle » au récepteur en utilisant le canal de transmission. Pour se comprendre, ils doivent aussi utiliser la même « langue ».
Transducteur à l’émission
Le transducteur à l’émission permet de convertir le signal original (voix, image, …) en un signal électrique utile pour l’émetteur. Certains utilisent le terme « encodeur » (codec dans le jargon informatique), cela peut induire une confusion avec le convertisseur utilisé dans le canal de transmission qui réalise la conversion de la nature du signal (pour la voix : de pression en tension avec un microphone).
L’émetteur
L’émetteur a pour fonction d’adapter le signal issu du transducteur en vue de le transmettre au canal de transmission. Il peut simultanément remplir plusieurs fonctions [1.02] :
• Coder le signal issu du transducteur (tension) en nombres, dans le cas d’une conversion analogique numérique ou/et de chiffrage ;
• Moduler ;
• Amplifier.
Cet émetteur peut être un émetteur analogique (exemple : émetteur radio FM) ou encore un modem ADSL utilisé pour Internet dans le cadre d’une information numérique .
Transmission en bande de base
La transmission en bande de base consiste à transmettre directement le signal sur le support sans transposition de fréquence. [1.04] [1.05] Cela peut se faire par exemple pour des signaux numériques en utilisant un modem dit à bande de base. Celui-ci utilise directement des supports physiques de types métallique (paires torsadées ou câble coaxiaux) ou fibre optique. Dans la plupart des cas, les harmoniques supérieures à un certain rang peuvent ne pas être transmises sans qu’on note une altération inacceptable du signal. Les harmoniques d’un signal transmis sur une ligne sont diversement atténués, suivant leur fréquence, par la bande passante de la ligne. Si l’ensemble des harmoniques utiles du signal à transmettre se situent dans la bande passante de la ligne que l’on souhaite utiliser, on peut appliquer ce signal directement à l’entrée de la ligne. Il sera transmis sans atténuation notable à l’autre extrémité. Les inconvénients majeurs de ce mode de transmission sont ;
• Sensibilité aux parasites (bruits en 1/?)
• Coût élevé pour la transmission sur fibre optique ou câble coaxial ;
• Impossibilité de partage direct d’un même canal par plusieurs sources (on ne peut pas suivre plusieurs conversations à la fois) ;
• Impossibilité de transmission à l’air de signaux basse fréquences (exemple : le son dont les fréquences vont de 20 à 20 kHz soit des longueurs d’onde de 15 à 15000 km).
Transmission en bande transposée
La transmission en bande transposée dite aussi modulation consiste à transmettre le signal de l’information en lui faisant subir une modification préalable de son spectre. [1.05] La modulation utilise deux signaux :
• Le signal modulant de basse fréquence qui contient l’information et qui peut être analogique (voix) ou numérique (données informatiques) ;
• Un signal porteur de haute fréquence dont l’un des paramètres (amplitude, fréquence, phase) varie en fonction des évolutions du signal modulant.
Il ne s’agit pas ici de décrire les principes de mise en œuvre de ces modulations mais de donner quelques informations succinctes pour comprendre le principe de la modulation. Il existe différents modes de modulation qui peuvent consister à réaliser :
• Soit une transposition plus ou moins directe du spectre du message vers les hautes fréquences (modulation d’amplitude, de fréquence) ;
• Soit une modification radicale du signal lui-même en utilisant des moyens numériques, notamment l’échantillonnage (modulation par impulsions) ;
• Soit une combinaison des deux techniques précédentes (Wide Band Code Division Multiple Access – W-CDMA).
L’usage de la modulation permet ainsi de :
• Diminuer les longueurs d’onde de signaux transmis (exemple : une fréquence de 100 MHz correspond à une longueur d’onde de 3,00 mètres) ;
• Diminuer la présence de bruit lors de la transmission ;
• Transmettre de signaux par voie hertzienne (exemple : la radio) ;
• Transmettre simultanément sur le même support plusieurs informations sans «télescopage » par multiplexage fréquentiel.
Sa mise en œuvre est toutefois :
• Plus complexe : risque d’augmentation de la dégradation du signal due aux équipements ;
• Plus consommatrice de bande passante que pour le message d’origine. La bande de fréquences à l’émission est plus importante que celle du message d’origine (transposition vers les hautes fréquences).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART
1.1 Information
1.1.1 Chaîne de transmission
1.1.1.1 Transducteur à l’émission
1.1.1.2 L’émetteur
1.1.1.3 Le canal de transmission
1.1.1.4 Le récepteur
1.1.1.5 Transducteur à la réception
1.1.2 Transmission en bande de base
1.1.3 Transmission en bande transposée
1.3 Spectre de la lumière visible
1.4 La propagation de la lumière
1.4.1 Définition de la lumière
1.4.2 La trajectoire de la lumière
1.4.3 La vitesse de la lumière dans le vide
1.5 Notions de base sur les photodiodes
1.5.1 Définition
1.5.2 Propriété
1.5.3 Fonctionnement
1.5.4 Temps de réponse de la photodiode
1.5.5 Application
1.5.6 Exemple de Montage de la photodiode
1.6 Énergie rayonnante et Grandeurs radiatives
1.7 Lois fondamentales de la radiation
1.8 Base de l’optique
1.8.1 Indice optique d’un milieu isolant et transparent
1.8.2 Lois de la réfraction
1.9 L’équation de Schrödinger
1.9.1 Interprétation de la fonction d’onde
1.9.2 Présentation de l’équation de Schrödinger
1.10 Conclusion
CHAPITRE 2 : GENERALITES SUR LES COMPOSANTS DU SYSTEME OPTIQUE
2.1 Introduction
2.2 Définition et historique de la fibre optique
2.3 Composants passifs
2.3.1 Constitution des fibres optiques
2.3.2 Caractéristiques générales de la fibre optique
2.3.2.1 Réflexion totale interne
2.3.2.2 Propagation de la lumière dans une fibre optique
2.3.3 Types de fibres optiques
2.3.3.1 Fibres monomodes
2.3.3.2 Fibres multimodes ou de classe A ou multimodales
2.3.3.3 Fibres micro-structurées
2.3.4 Dimension de la fibre optique
2.3.5 Affaiblissement lors de la propagation
2.3.6 Bande passante des fibres
2.3.7 Câbles à fibre optiques
2.3.8 Liaison optique : la connectique
2.3.8.1 Centrage géométrique des fibres
2.3.8.2 Raccordement permanent
2.3.8.3 Raccordement démontable
2.3.9 Coupleurs optiques
2.4 Composants actifs
2.4.1 Composants actifs au niveau de l’émetteur
2.4.1.1 Diodes ÉlectroLuminescentes ou LED
2.4.1.2 Diodes Laser
2.4.2 Composants actifs au niveau du récepteur
2.4.2.1 Photodiodes PIN
2.4.2.2 Photodiodes à avalanche
2.4.3 Amplificateurs optiques
2.4.3.1 Amplificateur optique à semi-conducteurs (ou AOSC)
2.4.3.2 Amplificateur optique à fibre dopée EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
2.4.3.3 Amplificateur de RAMAN
2.4.4 Evolution de la capacité des fibres optiques suivant les générations
2.4.4.1 Première génération
2.4.4.2 Deuxième génération
2.4.4.3 Troisième génération
2.4.4.4 Quatrième génération
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 : AMPLIFICATION A L’ERBIUM
3.1 Spectroscopie des Terres rares
3.1.1 Les ions Terres Rares
3.1.2 Principe
3.1.3 Emissions spontanée et stimulée
3.2 Laser à fibre dopée : aspects technologiques
3.3 Equations d’évolution
3.4.1 Equations d’évolution des densités volumiques de population
3.4.2 Equations d’évolution longitudinale de puissance
3.4.3 Equations d’évolution longitudinale de puissance
3.4.4 Taux de transition entre niveaux d’énergie
3.5 Paramètres d’une fibre dopée erbium
3.5.1 Facteur de recouvrement Γ
3.5.2 Durée de vie τ
3.5.3 Gain G
3.5.4 Puissance de saturation de la pompe
3.6 Milieu de gain de l’Erbium
3.6.1 Élargissement spectral de la transition
3.6.2 Systèmes à trois niveaux
3.6.3 Les sections efficaces d’absorption et d’émission
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 : MODELISATION DE L’EVOLUTION DU GAIN ET EVALUATION DE L’AMPLICATEUR DOPEE A L’ERBIUM
4.1 Modélisation de l’équation du gain
4.2 Interprétation de l’équation du gain
4.3 Etude du cas du régime petit signal
4.3.1 Interprétation de l’évolution du gain
4.3.2 Résultat de l’évolution du gain en régime petit signal
4.4 Longueur optimale pour l’optimisation
4.5 Efficacité de conversion quantique et efficacité de conversion de la puissance de pompe
4.6 Comparaison de la modélisation mathématique à la représentation de l’évolution du gain sur le logiciel Matlab
4.6.1 Etude du 1er Cas où ??=100 mW et ? = ?????
4.6.1.1 Paramètres de l’amplificateur
4.6.1.2 Interprétations de la performance de l’amplificateur
4.6.2 Etude du 2ème Cas où ??=250 mW et ? = ??????
4.6.2.1 Paramètres de l’amplificateur
4.6.2.2 Interprétation
4.7 Evolution du gain dans une fibre dopée à l’erbium, cas du régime petit signal
4.7.1 Paramètre
4.7.2 Interprétation
4.8 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXES
