Liaison WDM Radio sur Fibre

Liaison WDM Radio sur Fibre

Amplificateurs à fibre dopée Erbium (EDFA)

En optique un amplificateur est un dispositif qui amplifie un signal lumineux sans avoir à le convertir en signal électrique, il est nécessaire de placer un amplificateur tous les 100Km, un EDFA permet de le faire.
Un EDFA fonctionne à la maniéré d’un laser, une fibre optique est dopée et est pompée optiquement afin de placer les ions dans l’état excité. Lorsqu’un signal lumineux passe par ce morceau de fibre optique il excite les ions par effet laser en produisant un autre photon en tout point identique au photon incident, le signal lumineux est donc doublé. La figure 1.16 montre un amplificateur optique dopé à l’erbium.
Le signal et la pompe sont multiplexés en longueur d’onde afin de minimiser les pertes.
Il est préférable d’ajouter deux isolateurs un à l’entrée et l’autre à la sortie d’un amplificateur dopée à l’erbium, pour que la lumière passe dans un sens afin d’éviter toutes les réflexions qui créent une cavité, osciller le dispositif et le transformer en laser.
Pour réduire encore les pertes aux raccordements avec les fibres de ligne, une section de fibres adaptatrices est utilisée, ceci permet d’augmenter la densité de puissance de l’onde pompe, donc le gain et le rendement.
On trouve à la sortie un filtre optique, destiné à éliminer les résidus de l’onde pompe et réduire l’émission spontanée amplifiée, ainsi qu’une photodiode permettant de contrôler automatiquement le gain. Un amplificateur EDFA permet d’obtenir des gains supérieurs à 28 dB avec des fortes puissances (> 20 dBm).

Les amplificateurs Raman

Avec l’accroissement des canaux dans la fibre, la bande spectrale offerte par les amplificateurs optiques a fibre dopée a l’erbium, limitée au maximum à 40nm, peut s’avérer être un facteur pénalisant. Ce constat a relancé les études sur de nouvelles méthodes permettant l’augmentation de la bande spectrale.
De nouveaux amplificateurs optiques tels que les amplificateurs Raman prennent une part non négligeable dans les systèmes de télécommunications. Ils sont basés sur le principe de la diffusion de Raman, qui est un effet non linéaire a deux photons dans lequel un photon de pompe est absorbé et un photon de plus faible énergie est émis en même temps qu’un photon.
Ce phénomène peut être spontané, s’il n’y a pas de photon signal, ou stimulé par la présence d’un photon signal. Ainsi, dans le cas de l’amplificateur Raman, l’onde incidente, dite onde de pompe, stimulée par l’onde signal, va créer une autre onde signal, et un photon.
L’amplification est alors réalisée.
Comme pour les autres amplificateurs optiques, celui-ci a besoin d’une source externe, une source optique. Des lasers YAG sont les plus souvent utilisés dans ce cas, en émettant une longueur d’onde inférieure à celle du signal. L’avantage principal de ces lasers est qu’ils sont accordables sur une très grande plage de longueurs d’onde.
Le gain obtenu peut atteindre quelques dizaines de décibels, mais une saturation qui s’accompagne d’une forte dégradation du rapport signal sur bruit (l’émission spontanée continuant à être amplifiée) peut apparaitre. La limite en puissance est due à la génération d’une onde autre que l’onde signal lors de la diffusion Raman.

La dispersion dans la fibre optique

La dispersion se réfère à tous les processus aboutissant à une différence de temps de propagation des différents modes ; elle entraine une réduction de l’amplitude de modulation des hautes fréquences et un étalement temporel de l’impulsion. Plus on peut injecter d’impulsions lumineuses par unité de temps, plus la capacité de transmission de la fibre est grande.
Pour que l’information soit bien transmise, deux impulsions successives distinctes à l’entrée de la fibre doivent être également distinctes à la sortie. Cependant, il se produit dans la fibre un élargissement des impulsions appelée dispersion temporelle, deux impulsions distinctes à l’entrée de la fibre peuvent être mélangées à la sortie. En effet, lorsque l’on envoie une impulsion lumineuse infiniment étroite (Dirac) dans la fibre optique, celle-ci excite tous les modes de propagation de la fibre. A la sortie de la fibre, on constate alors un élargissement de l’impulsion dans le domaine temporel (figure 1.17) :
Plusieurs types de dispersion existent, contribuant tous à l’étalement de l’impulsion au cours de sa propagation dans le guide : Dispersion modale, dispersion de polarisation, et la dispersion chromatique dont la dispersion matérielle et la dispersion du guidage [5].

Dispersion modale

La dispersion modale est la principale cause de dispersion dans les fibres multimodes, elle limite la distance de propagation et le débit de transmission de l’information. Inhérente aux fibres multimodes, elle n’existe pas dans les fibres monomodes. La dispersion modale provient de la différence de temps de parcours de la lumière dans la fibre en fonction des chemins parcourus.
Elle est due à la différence de temps des trajets du rayon axial (mode rapide) et du rayon réfléchi critique (mode lent).
La dispersion intermodale Di est définie par l’élargissement temporel maximum τ d’une impulsion par unité de longueur de fibre. 1.9 Techniques de modulation.Afin de transmettre des informations dans les systèmes numériques optiques, il faut les imprimer sur le signal à envoyer dans la fibre, c’est ce que l’on appelle une modulation. Pour cela, il est nécessaire de réaliser une conversion des données électriques en données optiques.
Il existe principalement 2 techniques : la modulation directe et la modulation externe.

La modulation directe

Dans les systèmes de télécommunication par fibre optique les lasers à semi-conducteur sont très utilisés car il est possible de les moduler facilement. La modulation du courant qui traverse ces systèmes entraine directement la modulation en intensité de la lumière émise.
Cette technique est appelée la modulation directe (la figure 1.20) :
La modulation directe possède peu de composant, le générateur émet un débit de données ou une séquence de données, le driver permet de commander la source optique au niveau des puissances émises en fixant les valeurs du courant d’alimentation, et le laser qui est une source optique.

La modulation externe

La modulation externe consiste à écrire les données électriques sur un signal optique continu. Elle est obtenue en modulant directement le faisceau lumineux en sortie du laser et non pas le courant d’alimentation à l’entrée du laser.
La modulation est effectuée par un composant indispensable qui est le modulateur externe (figure 1.21). Celui-ci est commandé par une tension externe, elle permet de représenter l’information à transmettre. Cette tension est appliquée au modulateur et consiste à modifier le facteur de transmission.
Le signal optique continu émis par le laser est alimenté par un courant constant. En traversant le modulateur, il subit les modifications du facteur de transmission et le signal de sortie se trouve modulé. Un driver est souvent présent entre les données et le modulateur afin de fixer les niveaux de puissances et choisir les modifications du facteur de transmission.

Modulateur de Mach-Zehnder

Les modulateurs de Mach-Zehnder sont des modulateurs électro-optiques que l’on place directement en sortie du laser. Ils sont fréquemment utilisés pour les applications de télécommunication large bande.
En réalité, les effets électro-optiques sont à la base de ce type de modulateurs, à savoir que l’indice de réfraction de certains matériaux peut être modifié par l’application d’un champ électrique [7].
Ce phénomène est appelé effet Pockels si les effets électro-optiques sont linéaires, c’est à dire que la variation d’indice est proportionnelle au champ appliqué, et effet Kerr quand elle est proportionnelle au carré du champ. L’effet Pockels est prépondérant dans certains matériaux et permet des modulations de phase et d’amplitude de la lumière.
Un des principaux impératifs est d’utiliser des matériaux transparents à la longueur d’onde de fonctionnement et présentant des coefficients électro-optiques aussi élevés que possible.
De tels modulateurs fonctionnant à 1,5 μm ont été réalisés sur substrat d’iodate de lithium (LiNbO3) ainsi que dans des matériaux semi-conducteurs (GaAs, …). Grâce à ce modulateur on peut obtenir une modulation d’amplitude à travers une modulation de phase à l’intérieur du composant.

Modulation de phase

Le champ électrique appliqué change l’indice de réfraction du matériau, ce qui a pour conséquence de faire varier la phase de l’onde guidée et d’engendrer un retard variable de l’onde optique. Un déphasage dépendant de la tension électrique est ainsi créé (modulation de phase en alternatif).

Modulation d’amplitude

Cela consiste à réaliser un interféromètre dans lequel il est possible de commander la différence de phase entre les deux bras par l’application d’une tension contrôlée sur le matériau électro-optique [8].
En conclusion, la modulation externe présente de nombreux avantages. Elle est plus rapide et permet donc de transmettre des débits plus élevés. Le bruit, le chirp … ne sont pas inexistants dans les modulateurs de Mach-Zehnder mais leurs valeurs sont nettement plus faibles que dans les lasers. Les limites de capacité de transmission sont donc repoussées vers des fréquences plus importantes.

Réception optique

De même que pour les modules d’émission, de nombreux efforts ont été fournis pour rendre les modules de réception de plus en plus performants. Le rôle du récepteur est de convertir au mieux le signal optique en signal électrique il est composé de photodiode PIN, photodiode a avalanche (PDA), amplificateur, convertisseur courant-tension, ainsi que du filtre.

Le photodétecteur

Un photodétecteur converti les photons incidents en courant d’électron. Il transforme donc le signal optique en signal électrique. Un bon photodétecteur doit être très sensible à la longueur d’onde utilisée, générer un minimum de bruit et doit être suffisamment rapide. Les photodétecteurs à semi-conducteurs sont les plus utilisés car ils sont très rapides, peut couteux et de dimensions compatibles avec les fibres optiques.
Sous l’effet d’un photon d’énergie suffisante, un électron de la bande de valence est arraché et passe dans la bande de conduction produisant une partie de porteurs électrons – trous.
Ces porteurs sont dissociés, sous l’action d’un champ électrique et participent au photo courant de déplacement.
a. Etat stable (absence de photon incident).
b. Création de pair électrons-trous par absorption d’un photon.
c. Création de courant de déplacement sous l’action d’un champ électrique externe.
Le photon incident ne peut être absorbé que si son énergie hv est au minimum égale au:

Les photodiodes PIN

La principale qualité d’une photodiode PIN est que la composante d’entrainement du photo courant domine sur la composante diffusive, parce que la plupart de la puissance optique incidente est absorbée à l’intérieur de la zone I [9].
En effet, la zone I est placée entre la zone P et la zone N d’un semi-conducteur différent dont la bande interdite est choisie afin que les photons incidents soient absorbés seulement dans la zone I de la photodiode (figure 1.23).
Une photodiode PIN utilise généralement du matériau InGaAs pour la région I et du matériau InP pour les couches P et N.

Les photodiodes à avalanche (PDA)

Si on reprend la diode PIN mais qu’on lui applique une tension inverse élevée, on obtient un champ électrique intense dans la région intrinsèque, aussi appelée région semi isolante.
Si le champ est suffisamment intense, les charges générées dans la zone semi isolante peuvent acquérir suffisamment d’énergie pour ioniser un atome neutre. De cette manière, une nouvelle paire électron-trou est créée.
Pour chaque paire créée par l’absorption d’un photon, on obtient ainsi M paires au total : on dit qu’il y a multiplication des paires électron-trou par avalanche [10]. La figure 1.24 montre le principe d’une photodiode à avalanche.

Table des matières

Remerciements
Table des matières
Liste des figures
Introduction générale
Chapitre 1 : Etude d’une liaison par fibre optique
1.1 Introduction
1.2. Historique de la fibre optique
1.3. Système de transmission par fibre optique
1.4 Emetteurs optique
1.4.1 Spectre électromagnétiques
1.4.2 Diodes électroluminescente (DEL)
1.4.2.1 Principe de fonctionnement…
1.4.2.2 Jonction P.N
1.4.3 Diode Laser (DL)
1.5 Définition d’une fibre optique
1.5.1 Durée de vie d’un câble à fibre optique
1.5.2 Avantages et inconvénients de la fibre optique
1.5.3 Principe de fonctionnement de la fibre optique
1.5.4 L’ouverture numérique
1.5.5 Différents types de fibres optiques
1.5.5.1 Fibre optique multimode
1.5.5.1.1 Fibre optique multimode a saut d’indice
1.5.5.1.2 Fibre optique multimode a gradient d’indice
1.5.5.2 Fibre optique monomode
1.5.5.3 Comparaison entre les différents types de fibres optiques
1.6 L’atténuation
1.7 Généralités sur l’amplification optique
1.7.1 Amplificateurs à fibre dopée Erbium (EDFA)
1.7.2 Les amplificateurs Raman
1.8 La dispersion dans la fibre optique
1.8.1 Dispersion modale
1.8.2 Dispersion chromatique
1.8.3 Dispersion de polarisation
1.9 Techniques de modulation
1.9.1 La modulation directe
1.9.2 La modulation externe
1.9.3 Modulateur de Mach-Zehnder
1.9.4 Modulation de phase
1.9.5 Modulation d’amplitude
1.10 Réception optique
1.10.1 Le photodétecteur
1.10.2 Les photodiodes PIN
1.10.3 Les photodiodes à avalanche (PDA)
1.11 Conclusion
Chapitre 2 : Etude d’une liaison Radio sur Fibre
2.1 Introduction
2.2 Principe de la technologie Radio sur fibre
2.3.1 Avantages des systèmes RoF
2.3.2 Limitations des systèmes RoF
2.3.3 Applications des systèmes RoF
2.3.4. Modulation d’intensité optique-détection directe IM-DD
2.3.5. Génération photonique des signaux millimétriques
2.4 Présentation du logiciel OptiSystem
2.4.1 Principales caractéristiques du logiciel OptiSystem
2.4.2 Applications du logiciel OptiSystem
2.4.3 Avantage du logiciel OptiSystem
2.4.4 Présentation de la liaison
2.5.1 Partie émission optique
2.5.2 Partie réception optique
2.5.3 Partie émission RF
2.5.4 Partie réception RF
2.6 Critères de qualité d’une transmission
2.6.1 Le taux d’erreur binaire
2.6.2 Le facteur de qualité
2.6.3 Le diagramme de l’oeil
2.7 Résultats de simulation
2.7.1 Les signaux émis par émetteur RF
2.7.2 Les signaux reçus par récepteur RF
2.7.3 Les signaux émis par émetteur optique
2.7.4 Les signaux reçus par récepteur optique
2.7.5 Diagramme de l’oeil des récepteur RF et optique
2.8 Conclusion
Chapitre 3 : Liaison WDM Radio sur Fibre
3.1 Introduction
3.2 La technologie WDM
3.3.1 Principe de multiplexage en longueur d’onde
3.3.2 Les composants d’un réseau WDM
3.3.3 Notion de circuit optique
3.3.4 Les systèmes WDM
3.3.5 Les apports du WDM
3.4 Présentation de la liaison
3.4.1 Partie émission optique
3.4.2 Partie réception optique
3.4.3 Partie émission RF
3.4.4 Partie réception RF
3.5 Résultats de simulation
3.5.1 Les signaux émis par émetteur RF
3.5.2 Les signaux reçus par récepteur RF
3.5.3 Les signaux émis par émetteur optique
3.5.4 Les signaux reçus par récepteur optique
3.5.5 Diagramme de l’oeil
3.6 Conclusion
Conclusion générale
Liste des abréviations
Référence bibliographique

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