Réflectométrie optique dans le domaine temporel (OTDR)

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Atténuation

L’atténuation dans les fibres optiques résulte de plusieurs mécanismes. D’abord, l’absorption intrinsèque du matériau constitutif provoque une augmentation très rapide des pertes aux basses longueurs d’onde. La présence d’impuretés peut aussi créer diverses bandes d’absorption. Dans le cas de la silice pure, le minimum théorique d’atténuation devrait descendre à 0,14 dB/km vers λ = 1,55 µm. De plus, les irrégularités involontaires de structure provoquent des pertes par diffusion (diffusion Rayleigh). Il y a ensuite les pertes dues aux conditions d’utilisation des fibres. Toute courbure trop serrée crée des pertes par rayonnement.
Les micros courbures sont des courbures très faibles [6], mais répétées et pratiquement incontrôlables, dues au conditionnement des fibres dans les câbles. Ces pertes s’ajoutent directement aux pertes intrinsèques. Elles sont toutefois négligeables pour les fibres standards des télécommunications dans des conditions d’emploi normales. Enfin, les fibres sont toujours utilisées par tronçons de longueur finie, raccordés entre eux. Chaque jonction peut provoquer une perte de raccordement. La Figure I.3 montre l’atténuation spectrale d’une fibre en silice, pour les télécommunications [7].

Dispersion chromatique

Est présentée par le temps de propagation de groupe [8], c’est-à-dire le temps mis par un signal pour parcourir l’unité de longueur, dépend de la longueur d’onde λ. Dans le cas d’un signal issu d’une source émettant sur une raie de largeur δλ, ces temps de propagation vont s’étaler sur une certaine durée. Le paramètre de dispersion chromatique (D) -I.3- est défini comme la dérivée du temps de propagation de groupe par rapport à la longueur d’onde, pour une longueur de fibre de 1 km. On le donne généralement en ps/ (nm.km), les picosecondes correspondant à l’élargissement temporel, les nanomètres à la largeur spectrale et les kilomètres à la longueur de fibre [9].

Dispersion modale de polarisation

En principe, la polarisation, dans une fibre parfaitement circulaire, ne devrait pas évoluer le long de la fibre. [10] On n’observe rien de tel dans la pratique. Un petit tronçon de fibre apparaît généralement comme une lame biréfringente, avec un mode dit rapide et un mode dit lent qui ont des polarisations rectilignes orthogonales. De plus, dans une fibre réelle, cette biréfringence et la direction des axes propres varient constamment et de manière incontrôlée, et la polarisation devient rapidement imprévisible.
Ce phénomène est dû à la non-symétrie de révolution du profil d’indice dans le cœur de la fibre, non-symétrie intrinsèque à la fabrication de la fibre et/ou extrinsèque lors de la pose de la fibre. Les origines intrinsèques peuvent être une symétrie géométrique circulaire imparfaite de la fibre ou une non-homogénéité de l’indice de la fibre [11]. Les causes extrinsèques peuvent être un écrasement, un étirement, une torsion ou une courbure de la fibre. Ceci induit un effet photo-élastique, d’où une biréfringence et une polarisation variable.
Quand on envoie un signal sur une fibre  » biréfringente « , sans se soucier de sa polarisation, on excite les deux modes à la fois. Chacun d’entre eux a sa propre vitesse de propagation. Ce décalage des temps de propagation de groupe a pour effet le dédoublement du signal à la sortie de la fibre (cf. paragraphe I.1.2.), et donc un brouillage de l’information (Figure I.6). On l’appelle dispersion modale de polarisation (Polarization Mode Dispersion, PMD, en angloaméricain) [12].

Amplificateurs à semi-conducteurs

Possèdent une structure de base qui est un peu différente de celle d’une diode laser (cf. paragraphe I.3.3.1.). Nous retrouvons l’inversion de population, l’émission spontanée et stimulée, les recombinaisons non radiatives, une source externe … Contrairement aux lasers à semi-conducteur, il n’y a pas de miroirs aux extrémités mais un revêtement antireflets déposé sur les faces clivées afin de diminuer les réflexions de la lumière vers l’intérieur du circuit.
La lumière reçue entre dans le circuit et après amplification va sortir par l’autre extrémité pour être couplée par la suite dans la fibre. Idéalement [17]-[18], il n’y a pas de réflexion du signal dans l’amplificateur, les caractéristiques essentielles présentées par ce type d’amplificateur sont:
• Une puissance de saturation en sortie autour de 5 – 10 mW.
• Les non-linéarités sont particulièrement importantes dans les conditions de saturation du gain.
• Une bande passante optique importante, de l’ordre de 5 THz (soit environ 40 nm autour de 1550 nm).
• C’est de loin le dispositif amplificateur le plus compact qui existe, avec un rendement (rapport gain à la consommation électrique) record. De plus, sa technique de fabrication est compatible avec l’intégration monolithique de nombreux autres composants actifs et passifs, ce qui offre des perspectives attrayantes en matière de traitement optique du signal, et aussi probablement en terme de coût.
• Un gain élevé (jusqu’à 30 dB) selon le semi-conducteur, la longueur d’onde, le courant injecté et la puissance du signal incident.
• Les pertes de couplage du faisceau incident dans l’amplificateur sont élevées, en raison de la supériorité du diamètre du faisceau sur l’épaisseur de la couche active du semiconducteur.

Les réseaux WDM

On va consacrer cette partie pour introduire les différents aspects liés à l’organisation des réseaux de télécommunication, en s’intéressant à l’utilisation du multiplexage en longueur d’onde. En suite on va aborder d’une façon générale les réseaux de télécommunications et introduisons les différentes architectures utilisées ou envisagées en matière de réseaux WDM.
Parallèlement, nous indiquons l’incidence du choix de tel ou tel type de réseau sur les paramètres des sources optiques à mettre en disposition [25]. Ces données nous permettent de mieux comprendre les applications potentielles des lasers utilisés dans cette étude. Enfin, on présente les différents protocoles de multiplexage utilisés.

Techniques de multiplexage

Dans les paragraphes précédents notre préoccupation majeure c’est la transmission entre un émetteur et un récepteur. Pour mieux projeter à la réalité [26], il nous faut maintenant considérer plusieurs de ces émetteurs et récepteurs et voir les solutions possibles pour que nous puissions organiser le transfert des informations entre eux.
La technique la plus efficace pour gérer cette opération est le multiplexage car il intervient dès qu’on souhaite transmettre plusieurs flux d’information indépendants (canaux) en utilisant le même support (une fibre). Deux techniques de multiplexage sont généralement utilisées dans les systèmes de transmission optiques: le multiplexage temporel (TDM pour Time Division Multiplexing) et le multiplexage en longueur d’onde (WDM pour Wavelength Division Multiplexing).

Le multiplexage temporel TDM

Le multiplexage TDM (Time Division Multiplexing, multiplexage à répartition temporelle (MRT)) consiste à affecter à un utilisateur unique la totalité de la bande passante pendant un court instant, ceci à tour de rôle pour chaque utilisateur. L’allocation de cette bande passante se fait en divisant l’axe du temps en périodes de durée fixe, et chaque utilisateur ne va transmettre que pendant une de ces périodes déterminée. Un intervalle de temps fixe (IT) est successivement assigné à une source [27].
Le multiplexage TDM permet alors de regrouper plusieurs canaux de communications à bas débits sur un seul canal à débit plus élevé (par exemple, conception d’un débit 40 Gbits/s, à partir de 4 séquences à 10 Gbits/s).

Le multiplexage en longueur d’onde WDM

Le multiplexage WDM (multiplexage à répartition de longueur d’onde) repose sur une propriété physique de la lumière. En effet, tout comme les signaux électriques se propagent avec une fréquence propre, les signaux lumineux possèdent une longueur d’onde. Partant de ce constat, il paraît naturel que le multiplexage FDM (Frequency Division Multiplexing) utilisé sur les réseaux électriques ait son homologue pour les réseaux optiques. Ainsi, plutôt que de transmettre de l’information sur une seule longueur d’onde, on va utiliser plusieurs longueurs d’onde, et multiplier d’autant le débit de la liaison [28]. De cette façon, on peut aisément augmenter le débit de transmission d’une fibre sans avoir à la remplacer par une autre. Il suffit simplement de disposer d’émetteurs/récepteurs capables de distinguer les différentes longueurs d’onde utilisées. Ainsi un émetteur pourra multiplexer plusieurs canaux en affectant à chacun une longueur d’onde. Le signal lumineux composé de toutes ces longueurs d’onde va transiter sur la fibre [29], et le récepteur n’aura qu’à démultiplexer le signal pour obtenir les différents canaux de départ. La norme internationale ITU-T G692 autorise l’utilisation de longueurs d’onde comprises entre 1530 et 1565 nanomètres [30]. Le multiplexage WDM est caractérisé par l’intervalle minimum entre deux longueurs d’onde utilisables. Cet intervalle peut être exprimé en nanomètres ou en gigahertz. Si cet intervalle est inférieur ou égal à 0,8 nanomètres (soit 100 GHz) on parle alors de multiplexage DWDM (Dense WDM). Des tests ont même été effectués avec des intervalles de 0,4 et 0,2 nanomètres. On parle alors d’U-DWDM pour Ultra-Dense WDM. L’utilisation de 32 longueurs d’onde différentes sur une fibre à 10 Gbit/s permet donc d’atteindre assez facilement un débit de 320 Gbit/s. Prochainement, lorsque 160 longueurs d’onde pourront être utilisées, la même fibre à 10 gigabits par secondes pourra fournir un débit de 1,6 Tbit/s.

Les réseaux de télécommunications WDM

Les techniques de multiplexage mentionnées récemment, nous nous intéressons par la suite aux différentes organisations possibles de la communication entre plusieurs interlocuteurs soit à la notion de réseaux. Cette présentation des architectures WDM [31], nous permet aussi d’étudier la possibilité d’indiquer quelles sont les sources optiques les plus appropriées au cas par cas.

Présentation générale

Dans un réseau de télécommunication, on peut classer trois grandes catégories en fonction de leur taille :
Les réseaux longues distances (ou les WAN, Wide Area Network): Ce sont les réseaux déployés à l’échelle d’un pays ou d’un continent et dont les nœuds sont de très grands centres urbains.
Les réseaux métropolitains (Metropolitan Area Network = MAN): qui correspondent aux réseaux mis en œuvre dans une grande ville ou une agglomération et qui permettent de relier entre eux par exemple différents arrondissements.
Les réseaux locaux (Local Area Network = LAN): encore appelés réseaux de distribution ou réseaux d’accès. Ils représentent le dernier maillon et finissent d’acheminer les informations à l’abonné. Ils sont donc plus courts et moins gourmands en capacité.
Tous ces maillons doivent répondre à la demande croissante de capacité des réseaux de télécommunication, quel que soit le type de service utilisé.

Le réseau longue distance (WAN)

Ce type du réseau, parfois également appelée réseau structurant, représente la couche supérieure du réseau de télécommunications. Ce dernier parcourt de longues distances pouvant aller jusqu’à 1000 km. En effet l’utilisation d’amplificateurs et de régénérateurs permet d’augmenter la distance de transmission. Elle est comprise entre deux autocommutateurs à autonomie d’acheminement, qui ont pour rôle d’aiguiller les informations d’une région à une autre, de la zone de l’expéditeur vers celle du destinataire. La transmission de ces informations se fait désormais sur fibre optique à une longueur d’onde de 1,55µm et à un débit élevé qui ne cesse de s’accroître (les débits 2,5 Gbits/s et 10 Gbits/s sont déjà installés et le 40 Gbits/s le sera très prochainement).
Cette capacité ne pourrait être atteinte sans l’introduction des fibres optiques dans la chaîne. Elles ont permis de gagner en débit et en espacement entre répéteurs par rapport aux systèmes existants, à savoir le câble coaxial (la distance passe typiquement de 2 à 100 km).
De plus, l’abandon des régénérateurs électro-optiques (photodétection, amplification électrique, reconversion optique) au profit des amplificateurs optiques, déployés environ tous les cent kilomètres, a permis de faire un bond en terme de capacité des liaisons. Dès le début des années 1990, l’amplification optique a permis de démontrer la possibilité de transmettre, réseau longue distance est désormais tout optique.

Le réseaux métropolitain MAN

Encore appelé réseau intermédiaire, le réseau métropolitain connaît en ce moment un véritable essor. Déployé entre le dernier autocommutateur à autonomie d’acheminement du réseau longue distance et une zone plus précise (arrondissement, campus, petite ville, …), il possède un environnement souvent très complexe et divers. Fondamentalement, on peut distinguer les réseaux métropolitains structurants et métropolitains d’accès. Les réseaux métropolitains structurants sont généralement constitués d’anneaux de 80 à 150 km de circonférence avec six à huit nœuds. En revanche, les réseaux métropolitains d’accès sont des anneaux de 10 à 40 km de circonférence dotés de trois ou quatre nœuds avec des embranchements vers des sites distants. Les topologies logiques (profils de trafic) des réseaux métropolitains diffèrent radicalement de celles des réseaux longue distance. Ces derniers correspondent pour l’essentiel à des lignes interurbaines point à point avec tout au plus un ou deux multiplexeurs d’insertion-extraction optiques (OADM) pour insérer et extraire le trafic en des points intermédiaires. En particulier, il existe des différences notables entre les zones très peuplées d’Europe et d’Asie, où les distances seront inférieures, et les Etats-Unis où les applications métropolitaines s’apparentent à de véritables réseaux régionaux

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I: INTRODUCTION AUX RESEAUX DE TELECOMMUNICATIONS PAR FIBRES OPTIQUES
1 Les télécommunications par fibres optiques
1.1 Structure d’une liaison optique
1.2 Les fibres optiques
1.2.1 Atténuation
1.2.2 Dispersion chromatique
1.2.3 Dispersion modale de polarisation
1.3 Principes et généralités sur les amplificateurs optiques
1.3.1 Amplificateurs à semi-conducteurs
1.3.2 Amplificateurs à fibre
1.4 Conclusion
2 Les réseaux WDM
2.1 Techniques de multiplexage
2.1.1 Le multiplexage temporel TDM
2.1.2 Le multiplexage en longueur d’onde WDM
2.2 Les réseaux de télécommunications WDM
2.2.1 Présentation générale
2.2.2 Le réseau longue distance (WAN)
2.2.3 Le réseaux métropolitain MAN
2.2.4 Le réseau local (LAN)
2.2.5 Les réseaux optique passifs
3 Lasers de télécommunications: principes et caractéristiques
3.1 Contexte Historique
3.2 Laser d’émission
3.2.1 Principe de fonctionnement
3.2.2 Émission de rayonnement par les semi-conducteurs
3.2.3 Laser à semi-conducteur
3.2.4 Le laser semi conducteur Fabry-Pérot
3.2.5 Laser DFB à semi-conducteurs
3.3 Les diodes lasers
3.3.1 Structure d’une diode laser à semi-conducteur
3.3.2 Caractéristique P/I en continu
3.4 Caractéristiques dynamiques
3.4.1 Réponse temporelle
3.4.2 Réponse fréquentielle intrinsèque
3.4.3 Bruit d ‘émission
3.4.4 Réglage de longueur d’onde avec température
CHAPITRE II: ETUDES THEORIQUES ET RESULTATS
1 La Réflectométrie optique à faible cohérence
1.1 Techniques réflectométriques
1.1.1 Réflectométrie optique dans le domaine temporel (OTDR)
1.1.2 Réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel (OFDR)
1.1.3 Réflectométrie optique à faible cohérence (OLCR)
2 Longueur d’onde d’émission
2.1 Etudes théoriques
2.1.1 Variation de la longueur d’onde en fonction de la température
2.1.2 Variation de la fréquence en fonction de la température
2.1.3 La fréquence dans le domaine temporel
2.1.4 Applications numériques
2.2 Résultats et simulations
2.2.1 La caractéristique de la longueur d’onde en fonction de la température
2.2.2 La caractéristique de la fréquence en fonction de la température
2.2.3 La caractéristique de la fréquence en fonction du temps
2.2.4 La caractéristique de la température en fonction du temps
2.2.5 La caractéristique de longueur d’onde en fonction de la tension externe
2.2.6 La caractéristique de la fréquence en fonction de la tension externe
2.3 La variation de fréquence en dynamique
2.3.1 Les hypothèses de simulation en dynamique
2.3.2 Présentation de logiciel de simulation -le SIMAPP-
2.3.3 Fenêtre principale de SIMAPP
2.3.4 La réponse temporelle du laser DFB à une rampe de température
2.3.5 La réponse temporelle du laser DFB à un échelon de température
2.3.6 La réponse temporelle du laser DFB à une source constante de température
2.3.7 La réponse fréquentielle du laser DFB
3 Conclusion
CHAPITRE III: ASSERVISSEMENT EN TEMPERATURE DU LASER DFB
1 Asservissement en température de la diode laser
1.1 Objectif d’asservissement
1.2 La structure générale de système d’asservissement en température
2 Etude du système de contrôle de température d’un laser DFB
2.1 Présentation du système
2.2 Les différents éléments du montage
2.2.1 Le pont de Wheatstone pour thermistances
2.2.2 L’amplificateur différentiel
2.2.3 Boîtier correcteur P.I.D
2.2.4 L’amplificateur de puissance pour dispositif à effet Peltier
2.2.5 Boîtier Peltier avec thermistance de contrôle
2.2.6 Le Rhéostat de protection
2.2.7 Le Capteur de Température (la thermistance)
2.2.8 Caractéristique de la thermistance
2.3 Principe de fonctionnement du système de contrôle
3 Le système d’asservissement en température en dynamique
3.1 La réponse de température à une tension externe appliquée à l’entrée
3.1.1 La simulation en dynamique avec SIM APP
3.1.2 La stabilité du système
4 Conclusion
CHAPITRE IV: ETUDES EXPERIMENTALES ET RESULTATS
1 La modulation des données
1.1 Modulation directe
1.2 Modulation externe
1.3 Modulateur d’amplitude à base de Mach-Zehnder (MZ)
1.4 Les caractéristiques des photorécepteurs
1.4.1 Principe et fonctionnement des photodiodes PIN
1.4.2 Le bruit dans les photodétecteurs
1.4.3 Variance de bruit dans une photodiode PIN
2 Résultats expérimentaux
2.1 Description du montage expérimental
2.2 Les éléments du montage
2.2.1 Emetteur lasers
2.2.2 Le photorécepteur: la photodiode PIN
2.2.3 L’analyseur de spectre
3 Etude en statique
3.1 L’évolution de la fréquence de battement en fonction de la tension de commande
4.1 La fréquence de battement en fonction d’une tension de commande de 10 MHz
4.2 La fréquence de battement en fonction d’une tension de commande de 100 MHz
4.3 La fréquence de battement en fonction d’une tension de commande de 1 Hz
5 Conclusion
Bibliographies

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