Propagation des impulsions lumineuses dans une fibre Optique

Les fibres optiques sont le support le plus couramment utilisé comme moyen de transmission dans les systèmes de télécommunications. On peut actuellement transporter de la lumière, c’est-à-dire de l’information, sur de très longues distances avec très peu de pertes (0.2 dB/km à 1.55 μm) [1,2]. Avec le développement rapide des nouvelles technologies de l’information, la fibre optique est capable de transmettre des informations, codées par des variations d’intensité du signal lumineux, entre deux lieux distants de plusieurs centaines, voire milliers, de kilomètres [3]. En permettant les communications à très longue distance et à des débits jusqu’alors inexplorés, le développement des fibres optiques a constitué l’élément clef de la révolution des télécommunications optiques [4].

Les réseaux passifs optiques en offrant une bande passante suffisante répondent à tel besoin [5,6]. La topologie de ce type de réseau conduit à s’intéresser aux techniques d’accès multiple bien connues en télécommunications mobiles comme techniques de partage de ressources entre différents utilisateurs. Le partage des ressources optiques en bande passante obéit à trois schémas hérités des techniques radiofréquences dans lesquelles le partage se fait en fréquence, en temps ou par code.

Généralités sur les fibres optiques

Une fibre optique est un mince filament cylindrique en verre (silice) (de diamètre 250μm avec son revêtement primaire) qui a la propriété d’être un conducteur de la lumière et sert dans les transmissions terrestres et océaniques. Les fibres optiques comportent un cœur de diamètre allant de 10 à 50μm, et une gaine de diamètre extérieur de l’ordre de 125μm avec un indice de réfraction plus faible que celui du cœur de l’ordre de 10⁻³ . La lumière se propage dans le cœur tout le long de la fibre, par réflexions totales successives à l’interface cœur-gaine (lois de Snell-Descartes) .

La dispersion chromatique

C’est le facteur qui limite la portée des lignes de transmission de signaux à haut débit sur de longues distances du fait qu’elle entraîne un élargissement temporal des impulsions émises. Cet élargissement limite le débit de la transmission, la capacité de transfert d’information et la bande passante de la liaison de transmission utilisant la fibre optique. La dispersion chromatique exprime alors le fait que un rayonnement d’une onde lumineuse se propageant dans un milieu matériel, une interaction se produit entre ce rayonnement et les électrons libres du milieu qui contraint les électrons à osciller à la fréquence du champ. Cet effet se manifeste par une modification de la vitesse de groupe du champ et de l’indice de réfraction du milieu; traduisant la présence des bandes de résonance de la silice qui compose la fibre optique dans l’ultraviolet et l’infrarouge lointain .

Effet Kerr optique 

Lorsqu’une onde électromagnétique traverse un milieu diélectrique, le champ électrique peut induire une importante anisotropie optique au sein du milieu. Ce dernier sera caractérisé par deux indices de réfractions différentes, où les indices se réfèrent à la direction du champ électrique appliqué, et voit apparaitre un déphasage entre les composantes parallèle et perpendiculaire de son vecteur déplacement électrique D et donne naissance à une biréfringence optique dans ce matériau. Ce déphasage est proportionnel au carré du champ appliqué. Si ce champ est de faible intensité devant le champ atomique du matériau et suffisamment éloigné de ses fréquences de résonances, la réponse du milieu se traduit alors par une réponse proportionnelle au champ incident. Nous sommes alors en présence d’une réponse linéaire, c’est‐à‐dire que la polarisation induite par le champ extérieur possède la même fréquence que le champ qui lui a donné naissance avec une amplitude qui lui est proportionnelle. Par contre dans le cas d’une onde lumineuse intense, la réponse du matériau n’est alors plus simplement proportionnelle au champ initial mais fait intervenir différents harmoniques et sera donc qualifiée de non linéaire [7, 18].

Dispersion de mode de polarisation

La polarisation est une propriété relative à la nature vibratoire de la lumière. Dans une fibre optique, la lumière est une combinaison de deux vibrations de directions perpendiculaires. Des imperfections comme les pressions latérales asymétriques, les changements de diamètre et de forme de cœur de fibre, etc.., créent la biréfringence qui se traduit en une différence entre les indices de réfraction effectifs des deux modes (orthogonaux). Il se crée deux directions de polarisation, l’une dite rapide et l’autre lente [25]. La biréfringence peut changer l’état de polarisation de la lumière quand elle traverse la fibre à cause les deux modes orthogonaux se propagent à différentes vitesses. Ce qui conduit à un retard de phase entre les deux états de polarisation .

Si le processus de SPM est combiné à un régime de dispersion anormal (β2 < 0, D > 0) cela implique que les grandes longueurs d’ondes vont se propager moins vite que les plus petites. La combinaison de ces deux effets peut mener à une compression temporelle de l’impulsion pouvant mener à une impulsion solitonique. Mais si le processus de SPM est combiné cette fois -ci à un régime de dispersion normal (β2 >0, D < 0) alors les grandes longueurs d’ondes vont se propager plus vite que les plus petites. La somme de ces deux effets va mener à un élargissement temporel des impulsions. En effet, dans des systèmes de transmission d’informations multiplexés en longueur d’onde (WDM), où les systèmes utilisent plusieurs longueurs d’onde pour transmettre l’information, la génération de nouvelles fréquences provoque un tel élargissement spectral qu’il peut alors engendrer un débordement du spectre du canal sur ses canaux voisins [7] donnant alors lieu à d’autres effets non linéaires de type Kerr comme le mélange à quatre ondes ou l’effet Raman.

La modulation de phase croisée (XPM) 

La modulation de phase croisée (ou XPM pour Cross Phase Modulation) se produit lorsque au moins deux ondes, de fréquences ou de polarisations différentes, se propagent simultanément dans une fibre optique. Cet effet est une conséquence directe de l’effet Kerr optique qui se manifeste par la modification de l’indice de réfraction d’un milieu sous l’effet d’un champ ´électrique intense.

Mélange à quatre ondes (FWM)

Dans des applications Télécoms multiplexées en longueur d’onde (WDM), bon nombre de signaux à différentes longueurs d’onde se propagent simultanément au sein de la même fibre optique. La présence de ces signaux à diverses longueurs d’onde engendre alors, sous certaines conditions, un grand nombre d’effets non linéaires comme le mélange à quatre ondes «Four‐Wave Mixing». Ce phénomène provient de la susceptibilité non linéaire d’ordre trois et correspond à la recombinaison et génération de photons à différentes fréquences.

Diffusion Stimulée

Contrairement aux effets non linéaires précédemment présentés, les phénomènes de diffusion stimulée sont des phénomènes inélastiques pour lesquels le milieu de propagation joue un rôle actif, en référence à la non‐conservation de la quantité de mouvement en mécanique et ils font intervenir la partie imaginaire de la susceptibilité non linéaire d’ordre trois. Ces effets proviennent de l’interaction avec perte d’énergie de photons avec le milieu. La perte d’énergie, représentée par l’apparition d’un phonon, se traduit par un transfert inélastique de puissance de la fréquence initiale vers une fréquence inférieure, transfert dû à une excitation vibrationnelle des molécules de silice. Les deux principaux effets de diffusion optiques sont les diffusions Raman et Brillouin stimulées, ces effets qui intervenant d’une façon considérable dans les systèmes de communication à fibres optiques [7, 24].

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Propagation des impulsions lumineuses dans une fibre Optique
I.1. Introduction
I.2. Généralités sur les fibres optiques
I.2.1. L’atténuation
I.2.2. La dispersion chromatique
I.2.3. Effet Kerr optique
I.3. Propagation de la lumière dans une fibre optique
I.4. Les effets liés à la propagation d’onde dans la fibre optique
I.4.1. Effets linéaires
I.4.1.1. Dispersion chromatique d’ordre 2 (GVD)
I.4.1.2. Dispersion chromatique d’ordre 3 (TOD)
I.4.1.3. Dispersion de mode de polarisation
I.4.2. Effets non linéaires
I.4.2.1. Auto-modulation de la phase (SPM)
I.4.2.2. la modulation de phase croisée (XPM)
I.4.2.3. Auto-raidissement
I.4.2.4. Mélange à quatre ondes (FWM)
I.4.2.5. Diffusion Stimulée
I.4.2.5.1. Diffusion Raman Stimulée (SRS)
I.4.2.5.2. Diffusion Brillouin stimulée (SBS)
I.5. Les différentes techniques de transmission
I.5.1. Le multiplexage temporel ou TDMA
I.5.2. Multiplexage en longueur d’onde WDMA
I.5.3. Multiplexage par répartition de code CDMA
I.5.3.1. Multiplexage optique par répartition de code OCDMA
I.5.3.2. Le système OCDMA par les réseaux de Bragg
I.6.Conclusion
Chapitre 2 : les réseaux de Bragg
II.1. Introduction
II.2. Le réseaux de Bragg
II.3. Origine de la Photosensibilité dans fibres optique
II.4. Techniques de fabrication des réseaux de Bragg
II.4.1. Inscription des réseaux par le miroir de Lloyd
II.4.2. Inscription des FBG par la méthode du masque de phase
II.4.3. Technique d’inscription point-par-point des réseaux de Bragg
II.4.4. Technique d’inscription de réseaux de Bragg par l’interféromètre de Sagnac
II.4.5. Technique d’écriture multiple réseaux de Bragg sur la fibre optique
II.5. La théorie des modes couplés
II.5.1. Méthode de modélisation
II.5.2. L’apodisation des Réseaux de Bragg
II.6. Les différents types des réseaux de Bragg
II.6.1. Réseau de Bragg uniforme
II.6.2. Réseau de Bragg chirpé
II.6.3. Réseau de Bragg à saut de phase
II.6.4. Réseaux à traits inclinés
II.6.5. Réseau à longue période
II.7. Applications des réseaux de Bragg à la télécommunication
II.8. Conclusion
Chapitre 3: Optimisation des codeurs/décodeurs à réseau de Bragg
III.1. Introduction
III.2. Simulations numériques et caractéristiques
III.2.1. Modélisation du réseau de Bragg uniforme
III.2.1.1. Influence de la longueur du réseau sur la réponse spectrale du réseau de Bragg uniforme
III.2.1.2. Influence de l’indice de modulation sur la réponse spectrale du réseau de Bragg uniforme
III.2.1.3. Apodisation des réseaux uniformes
III.2.2. Modélisation d’un réseau de Bragg à pas variable
III.2.2.1. Influence de la longueur de réseau sur la réponse spectrale du réseau de Bragg à pas variable
III.2.2.2. Influence de l’indice de modulation sur la réponse spectrale du réseau de Bragg à pas variable
III.2.2.3. Apodisation des réseaux à pas variable
III.2.3. Réseaux superstructures
III.2.3.1. Modélisation des réseaux de Bragg superstructurés
III.2.3.2. Influence de l’espacement entre les réseaux sur les réponses spectral de réseau superstructures
III.3. Structure complexe du réseau de Bragg à chirp non linéaire
III.3.1. Comparaison entre les réflectivités des réseaux de Bragg chirpé linéaire et non linéaire
III.3.2.1. Impact de coefficient linéaire chip sur le temps de retard
III.3.2.2. Impact du premier coefficient non linéaire chirpé sur le temps de retard
III.3.2.3. Impact de la tension appliquée sur le réseau de Bragg sur le temps de retard
III.4. Conclusion
Conclusion générale

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