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Présenté par : Samira MESMOUDI communications optiques 2 Objectifs du cours Le

Présenté par : Samira MESMOUDI communications optiques 2 Objectifs du cours Le but de ces cours est de pouvoir concevoir et analyser les systèmes de communication optique, et tout particulièrement les transmissions par fibre optique. 3 Programme Chapitre 1: Introduction aux systèmes de communications optiques Chapitre 2: Etude de la propagation dans les fibres optiques Introduction et bref historique Evolution des systèmes de communications optiques Avantages des fibres optiques Approche géométrique : Principe de Fermat et loi de Snell-Descartes- Application aux fibres optiques (Notion de l'ouverture numérique- Fibres multimode et monomode) Approche ondulatoire : Equations de Maxwell (Modes d'une fibre à saut d'indic Comparaison entre fibres monomodes et multimodes) 4 Programme Chapitre 3: Émetteurs/Récepteurs Électro-optiques Chapitre 4: Etude de la propagation dans les fibres optiques Sources de lumière à semi-conducteur - Émetteurs optiques : Diodes LED, Diodes lasers, Récepteurs optiques : Photodiode PIN, Diode à avalanche Sources de bruit et rapport signal sur bruit Schéma synoptique d’une chaîne de transmissions optiques Câble optique et connectique Structure et Familles des liaisons numériques : point à point, avec amplificateurs optiques EDFA, liaisons multiplexées (WDM, OTDM…). 5 Programme Chapitre 5: Réseaux sur fibres optiques Réseaux passifs et actifs, Différents architectures FTTX Réseaux optiques locaux, métropolitains et longue distance, Réseaux optiques passifs (PON), Topologies des réseaux optiques, Budget de puissance d’un réseau optique, performance d’un réseau optique. Réseaux de Bragg pour un système de codage et décodage optique 6 Chapitre 1 Introduction aux systèmes de communications optiques 7 Introduction Un système de communication transmet des informations d'un endroit à un autre, qu'ils soient séparés de quelques kilomètres ou par des distances transocéaniques. L'information est souvent portée par une onde porteuse électromagnétique dont la fréquence peut varier de quelques mégahertz à plusieurs centaines de térahertz. Un système de communication Utilisent des fréquences porteuses élevées dans la région visible ou proche infrarouge de spectre de l'électromagnétique. Ils sont parfois appelés systèmes à ondes lumineuses. Les systèmes de communication à fibre optique sont des systèmes à ondes lumineuses qui utilisent des fibres optiques pour la transmission des informations. Les systèmes de communication optique La technologie des ondes lumineuses est considérée comme un facteur majeur dans l'avènement de «l'ère de l'information». En effet 8 Bref historique L'utilisation de la lumière à des fins de communication remonte à l'Antiquité si l'on interprète les communications optiques au sens large La plupart des civilisations ont utilisé des miroirs, des balises d'incendie ou des signaux de fumée pour transmettre une seule information (comme la victoire en une guerre). la même idée a été utilisée jusqu'à la fin du 18èmesiècle à travers les lampes de signalisation, les drapeaux et autres dispositifs à sémaphore. L’idée est encore étendue En 1794, Claude Chappe invente un télégraphe optique qui permet de transmettre des messages codés mécaniquement sur de longues distances ( 100 km) par l'utilisation de stations relais intermédiaires ∼ 9 Bref historique Le rôle de la lumière dans de tels systèmes était simplement de rendre visibles les signaux codés afin qu'ils puissent être interceptés par les stations relais. En 1840, Les physiciens Daniel Collondo et Jacques Badinet découvrirent que la lumière pouvait être guidée dans un matériau offrant un haut degré de réflexion. En 1854, John Tyndall, un physicien britannique, démontra que la lumière pouvait se propager à travers un tube d'eau par de multiples réflexions internes. Figure: Expérience de John Tyndall. La lumière suit le trajet formé par le jet d’eau. 10 Bref historique En 1880, Alexander Graham Bell breveta le « photophone », un système de réseau téléphonique optique qui a largement aidé le développement des fibres optiques. Cet appareil permettait de transmettre la lumière sur une distance de 200 mètres. La voix, amplifiée par un microphone, faisait vibrer un miroir qui réfléchissait la lumière du soleil. Quelque 200 mètres plus loin, un second miroir captait cette lumière pour activer un cristal de sélénium et reproduire le son voulu. Le récepteur de cet appareil était presque identique à celui du premier téléphone Figure: Le photophone d’Alexander Graham Bell. Systèmes d’émission (à gauche) et de réception (à droite). 11 Contexte : Bref historique La possibilité de transporter de la lumière le long de fines fibres de verre fut exploitée au cours de la première moitié du 20ème siècle En 1927, Hansell inventa un dispositif pour transmettre des images de télévision et des fax grâce à des fibres en verres ou en plastique En 1930, Heinrich lamm fut la première personne à transmettre l'image d'un filament d'ampoule dans un faisceau de fibres de quartz. Son but était de réussir à observer des parties du corps jusqu'à lors inaccessibles En 1950, Hopkins et Van Heel réalisent le premier fibroscope qui permet le transfert d’une image de bien meilleure qualité sur une longueur de l’ordre du mètre. Ce fibroscope permet alors d’observer l’intérieur du corps humain 12 Bref historique L’imagerie médicale constitue ainsi la première application professionnelle des fibres optiques Les télécommunications par fibre optique restèrent impossibles jusqu'à l'invention du laser en 1960. Le laser offrit la possibilité de transmettre un signal sur une grande distance avec une perte et une dispersion spectrale très faibles. En 1966, Charles Kao et Georges Hockman décrivent un système de communication à longue distance et à faible perte en mettant à profit l'utilisation conjointe du laser et de la fibre optique En 1970, trois scientifiques Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la première fibre optique avec des pertes de phase suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (20 DB/Km). 13 Bref historique En 1977 , les laboratoires Bell Labs aux États-Unis réalisent le premier système de télécommunications par fibres optiques. Il s’agit d’une liaison de 640 mètres constituée de 144 fibres optiques, chacune supportant un débit de 45 mégabits par seconde. La mise au point de câbles, connecteurs, composants passifs et procèdes de raccordements performants, ont également été indispensables pour le développement massif des liaisons commerciales, à partir des années 1980, Les années 1990 ont été marquées par la maitrise de l’amplification optique puis du multiplexage en longueur d’onde. Cette résolution à accélérer le développement des réseaux tout optiques. Figure: fibre optique 14 Evolution des systèmes de communications optiques La phase de recherche sur les systèmes de communication par fibre optique a commencé vers 1975. Les énormes progrès réalisés peuvent être regroupés en plusieurs générations distinctes. La première génération Dès 1978, des systèmes travaillant avec des fibres multi-mode et à une longueur d'onde optique de 0,8 μm ont été mis en place, acheminant un débit 45 Mb/s avec un espacement entre répéteurs de l'ordre de 10 kilomètres, c'est-à-dire trois fois plus environ que les systèmes sur câble coaxial de capacité équivalente. 15 Evolution des systèmes de communications optiques La deuxième génération Est devenue disponible au début des années 1980, mais le débit binaire des premiers systèmes était limité à moins de 100 Mb/s en raison de la dispersion dans fibres multi-modes Cette limitation a été surmontée par l'utilisation de fibres monomodes et les diodes laser à 1.3 μm. En 1987, des systèmes de communications à fibre optique de deuxième génération, fonctionnant à des débits binaires allant jusqu'à 1,7 Gb/s avec un espacement des répéteurs d'environ 50 km, étaient disponibles dans le commerce. La troisième génération Les systèmes de communication à fibre optique de troisième génération fonctionnant à 2,5 Gb/s sont devenus disponibles dans le commerce en 1990. Ces systèmes sont capables de fonctionner à un débit binaire allant jusqu'à 10 Gb/s. Les meilleures performances sont obtenues en utilisant des fibres à dispersion décalée en combinaison avec lasers oscillant dans un seul mode longitudinal (1,5 μm). 16 Evolution des systèmes de communications optiques La quatrième génération les systèmes d'ondes de la quatrième génération utilise l'amplification optique pour augmenter l'espacement des répéteurs et le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM : Wavelength Division Multiplexing)) pour augmenter le débit binaire. La cinquième génération Autour de 2005 apparaît une nouvelle génération de systèmes, toujours basés sur le multiplexage en longueur d'onde, mais dans lesquels les techniques de compensation électronique permettent de surmonter des obstacles à la montée en débit. Le débit de 100 Gbit/s est d'ores et déjà disponible. Cela permet actuellement d’obtenir des débits de transmission de l’ordre de 40 Gb/s (début du très haut débit) sur des dizaines de milliers de km avec des répéteurs tous les 100~150 km. En effet, un nouveau type de fibre a été développé avec la propriété que les pertes de fibre sont faibles sur toute la région de longueur d'onde s'étendant de 1,30 à 1,65 µm. La disponibilité de telles fibres et de nouveaux schémas d'amplification peuvent conduire à des systèmes d'ondes lumineuses avec des milliers de canaux WDM. 17 Avantages des fibres optiques La fibre optique demeure l’une des plus grandes avancées technologiques en matière de câblage, puisqu’elle perd tous les désavantages des câbles électriques. Elle constitue donc le support de transmission privilégié, dont les nombreux avantages justifient son introduction dans les systèmes de transmission : Performances de transmission : très faible atténuation, très grande bande passante, multiplexage possible (en uploads/Ingenierie_Lourd/ chap3-communication-18-01.pdf