La fenêtre de télécommunications 1550nm : Fondements physiques de la transmission à faible perte

Dans le paysage spectral de la photonique, la longueur d'onde de 1550 nm représente la “fenêtre d'or” pour les systèmes optiques à longue portée et de haute précision. Cette préférence n'est pas arbitraire ; elle est dictée par les propriétés physiques fondamentales du verre à base de silice. À l'intérieur de la Fibre 1550nm l'atténuation atteint son minimum théorique, environ 0,2 dB/km, principalement en raison de l'équilibre entre la diffusion de Rayleigh, qui diminue avec la quatrième puissance de la longueur d'onde, et l'absorption des infrarouges due aux vibrations moléculaires.

Pour les ingénieurs qui développent du matériel de détection ou de communication avancé, la transition de longueurs d'onde plus courtes (telles que 850 nm ou 1310 nm) à des longueurs d'onde plus courtes (telles que 850 nm ou 1310 nm) est un défi majeur. Fibre de 1550 nm n'est pas seulement motivé par une faible perte. À 1550 nm, la lumière est “sans danger pour les yeux” à des niveaux de puissance nettement plus élevés que dans le spectre visible, car le liquide oculaire absorbe l'énergie avant qu'elle n'atteigne la rétine. Cela permet des émissions plus puissantes dans les applications LIDAR et de télédétection. Cependant, le passage à 1550 nm nécessite un changement complet dans la science des matériaux, en passant des détecteurs à base de silicium à l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) pour les détecteurs à base de silicium et d'arséniure d'indium. récepteur optique couplé à une fibre, et des alliages semi-conducteurs ternaires ou quaternaires complexes pour les sources lumineuses.

Physique de la détection : Le récepteur optique couplé à une fibre

Le cœur de tout système de récupération du signal dans la bande C est le système de récupération du signal. récepteur optique couplé à une fibre. Contrairement aux détecteurs optiques, un module couplé à une fibre doit interfacer efficacement le cœur de moins de 10 micromètres d'une fibre monomode avec une zone active semi-conductrice. C'est à cette interface que se posent les problèmes les plus importants en matière de rapport signal-bruit (RSB).

Efficacité quantique et réactivité dans l'InGaAs

Le mécanisme de détection d'une photodiode PIN InGaAs repose sur l'effet photoélectrique interne. Lorsqu'un photon d'énergie $E = h\nu$ frappe la région intrinsèque du semi-conducteur, il doit avoir suffisamment d'énergie pour franchir la bande interdite $E_g$. Pour l'InGaAs, cette bande interdite est conçue pour être d'environ 0,75 eV, ce qui le rend très sensible à la plage de 1,0 à 1,7 micromètre.

La sensibilité $R$ du récepteur est une mesure critique, définie comme suit :

$$R = \frac{\eta q}{h \nu} = \frac{\eta \lambda}{1.24}$$

Où $\eta$ est l'efficacité quantique, $q$ est la charge électronique et $\lambda$ est la longueur d'onde en micromètres. Dans un récepteur optique couplé à une fibre de haute qualité, l'efficacité quantique dépasse souvent 80%, ce qui conduit à des valeurs de réactivité supérieures à 0,9 A/W à 1550 nm. Toutefois, une réactivité élevée ne sert à rien si le bruit de fond est trop important.

L'impact du courant d'obscurité et de la capacité parasite

Du point de vue de la qualité des composants, le “courant d'obscurité” ($I_d$) est le principal ennemi de la précision. Il s'agit du courant résiduel qui traverse le récepteur même dans l'obscurité totale. Le courant d'obscurité est une fonction de la qualité de la croissance du semi-conducteur ; les défauts dans le réseau InGaAs créent des états d'énergie intermédiaires qui facilitent la génération thermique de porteurs.

En outre, la taille de la “zone active” du récepteur présente un compromis. Une zone active plus grande (par exemple, 500 micromètres) facilite l'alignement des fibres, mais augmente la capacité parasite. Une capacité élevée agit comme un filtre passe-bas, limitant fortement la largeur de bande du système. Dans les systèmes à fibres optiques à grande vitesse de 1550 nm, les ingénieurs doivent sélectionner des récepteurs avec la plus petite surface active possible qui peuvent encore capturer de manière fiable la sortie divergente de la fibre, ce qui nécessite généralement des lentilles asphériques de précision à l'intérieur de l'emballage du récepteur.

Principes d'émission : L'ingénierie de la LED à fibre optique en queue de cochon

Alors que les diodes laser offrent une puissance et une cohérence élevées, les fibre pigtailed led reste indispensable pour les applications nécessitant une faible cohérence temporelle et une grande stabilité, telles que la tomographie par cohérence optique (OCT) ou certains types de gyroscopes à fibre optique.

Le défi Etendue dans le couplage des LED

Le principal obstacle technique à la mise en place d'un fibre pigtailed led est l“”Etendue“ ou la conservation du ”produit surface-angle solide". Les LED sont des émetteurs lambertiens, c'est-à-dire qu'elles émettent de la lumière sur un large hémisphère de 180 degrés. Le couplage de cette lumière diffuse dans un émetteur monomode Fibre 1550nm avec une ouverture numérique (NA) d'environ 0,14 est intrinsèquement inefficace.

Pour y remédier, les fabricants utilisent des architectures de “LED à émission par la tranche” (ELED) ou de “LED superluminescentes” (SLED). Contrairement aux LED à émission de surface standard, une LED ELED confine la lumière à une étroite couche de jonction, semblable à une diode laser mais sans les miroirs de rétroaction optique. Il en résulte un faisceau plus directionnel qui peut être capturé par des micro-optiques et lancé dans la queue de cochon en fibre. La qualité du fibre pigtailed led est donc jugée en fonction de sa “puissance couplée” plutôt que de son flux lumineux total.

Largeur spectrale et dispersion chromatique

L'un des avantages de la fibre pigtailed led à 1550nm est sa large largeur spectrale (typiquement 30nm à 100nm). Dans les applications de détection, ce large spectre réduit le “bruit de chatoiement” et les artefacts d'interférence. Cependant, dans le contexte de l Fibre de 1550 nm Dans le cas d'une transmission par fibre optique, cette largeur entraîne une dispersion chromatique importante. Les différentes longueurs d'onde du spectre de la LED se déplacent à des vitesses différentes dans la fibre, ce qui provoque un élargissement de l'impulsion. C'est pourquoi les LED à queue de cochon sont préférées pour la détection à courte et moyenne distance plutôt que pour les télécommunications longue distance.

De la qualité des composants au coût total du système : La perspective de la “fiabilité d'abord”.

Lors de l'achat de composants tels qu'un récepteur optique couplé à une fibre ou un fibre pigtailed led, Les acheteurs se concentrent souvent sur le “prix par mW” ou le “prix par unité”. Cependant, dans les domaines industriel et médical, le véritable coût est déterminé par le “coût de la défaillance”.”

Un module couplé par fibre de mauvaise qualité utilise souvent un alignement à base d'époxy. Au fil du temps, les cycles thermiques provoquent l'expansion et la contraction de l'époxy, ce qui entraîne une “dérive de l'alignement”. Un décalage de seulement 2 micromètres dans la position de la fibre par rapport au détecteur peut entraîner une perte de signal de 3 dB (50%). Si cela se produit dans un capteur d'infrastructure enterré ou dans un système laser chirurgical, le coût de la réparation ou du réétalonnage dépasse de loin les économies initiales réalisées sur le composant.

En revanche, les modules de qualité professionnelle utilisent des boîtiers “papillon” ou “TO-can” soudés au laser. Le soudage au laser crée une liaison inorganique permanente qui est à l'abri du dégazage et de la pénétration de l'humidité. Cela garantit que le Fibre 1550nm reste stable au fil des décennies.

Étude de cas : Détection de méthane à haute sensibilité dans les raffineries industrielles

Historique de la clientèle :

Un fabricant de systèmes de sécurité pour les gaz industriels avait besoin d'une solution de télédétection pour détecter les fuites de méthane à une distance de 2 kilomètres en utilisant l'infrastructure existante de fibre optique de 1550 nm.

Défis techniques :

Le méthane présente une ligne d'absorption spécifique proche de 1650 nm, mais le système utilise la “bande latérale” de 1550 nm comme référence. La difficulté résidait dans le signal de retour extrêmement faible de la cellule de gaz éloignée. Le système nécessitait :

• A récepteur optique couplé à une fibre avec une puissance équivalente au bruit (NEP) ultra-faible pour détecter des signaux de l'ordre du picowatt.
• A fibre pigtailed led avec une grande stabilité spectrale pour garantir que le signal de référence ne dérive pas et n'imite pas un pic d'absorption de gaz.
• Perte de retour optique (ORL) minimale pour éviter les signaux fantômes dans la boucle de fibre.

Paramètres techniques et configuration :

• Source : SLED (LED superluminescente) 1550nm pigtailed to G.652.D single-mode fiber (fibre monomode G.652.D).
• Récepteur : Récepteur intégré PIN-TIA (amplificateur à transimpédance) InGaAs.
• NEP : $5 \times 10^{-15} \text{ W/Hz}^{1/2}$.
• Accouplement : Alignement actif par station robotique à 6 axes, fixation par soudage au laser Nd:YAG.

Solution de contrôle de la qualité (QC) :

Chaque récepteur optique couplé à une fibre a été soumis à un balayage “courant d'obscurité en fonction de la température” de -20°C à +70°C. Les modules présentant une croissance exponentielle du courant d'obscurité - signe d'impuretés du réseau - ont été rejetés. Les modules présentant une croissance exponentielle du courant d'obscurité - signe d'impuretés dans le réseau - ont été rejetés. Les LED à queue de cochon ont subi un test de “vieillissement accéléré” de 168 heures au courant nominal maximum afin de stabiliser la sortie spectrale.

Conclusion :

En utilisant un récepteur optique couplé à une fibre à haute réactivité et à faible bruit, le client a pu atteindre une limite de détection de 50 ppm (parties par million) pour le méthane sur un parcours de fibre de 2 km. L'utilisation de pigtails soudés au laser a permis au système de ne nécessiter aucun recalibrage au cours de ses deux premières années de déploiement en extérieur dans l'environnement volatile d'une raffinerie.

Comparaison technique : technologies de réception à 1550nm

Le tableau suivant présente les différences de performance entre les composants standard et les composants haute performance des récepteurs utilisés dans les systèmes de gestion de l'information. Fibre de 1550 nm des systèmes d'alimentation en eau.

FAQ professionnelle : Composants optiques 1550nm

Q1 : Pourquoi l'InGaAs est-il utilisé à la place du silicium pour les récepteurs à 1550 nm ?

Le silicium a une bande interdite d'environ 1,1 eV, ce qui signifie qu'il ne peut absorber que des photons de longueur d'onde inférieure à 1100 nm. À 1550 nm, le silicium est transparent. L'InGaAs a une bande interdite plus basse (environ 0,75 eV), ce qui lui permet de convertir efficacement les photons de 1550 nm en électrons.

Q2 : Quelle est la différence entre un module “pigtailed” et un module “receptacle” ?

Une led ou un récepteur à fibre pigtailed possède une longueur de fibre optique attachée de façon permanente et alignée sur la puce interne. Cela permet d'obtenir la perte d'insertion la plus faible et la stabilité la plus élevée. Un module réceptacle a un connecteur (comme LC ou FC) intégré dans le boîtier, permettant à l'utilisateur de brancher son propre câble, ce qui offre plus de flexibilité mais un potentiel plus élevé de contamination et de perte.

Q3 : Comment la température affecte-t-elle un récepteur à fibre optique de 1550 nm ?

À mesure que la température augmente, l'énergie thermique permet à davantage d'électrons de sauter la bande interdite sans stimulus lumineux, ce qui augmente le “courant d'obscurité”. Cela a pour effet d'augmenter le bruit de fond du système. Les récepteurs optiques couplés à une fibre de haute performance comprennent souvent un thermistor interne pour surveiller cet effet ou un TEC pour stabiliser la température.

Q4 : Un cordon de fibre optique peut-il être utilisé pour la transmission de données à haut débit ?

Uniquement à des vitesses relativement faibles (typiquement <622 Mbps). Comme les LED ont une large largeur spectrale, la dispersion chromatique dans la fibre de 1550 nm entraîne un étalement du signal sur de longues distances. Pour les données à grande vitesse ou sur de longues distances, une diode laser (LD) est nécessaire en raison de sa largeur de ligne étroite.

Q5 : Quelle est la signification de “PIN” dans PIN photodiode ?

PIN est l'abréviation de P-type, Intrinsic, N-type. La couche “intrinsèque” est une large région non dopée située entre les couches P et N. Elle augmente le volume où les photons peuvent être absorbés et réduit la capacité de la jonction. Cela augmente le volume où les photons peuvent être absorbés et réduit la capacité de la jonction, ce qui permet d'obtenir une sensibilité plus élevée et des temps de réponse plus rapides par rapport à une jonction PN standard.