GEL-4201 : Communications optiques - Pixel

Faculté des sciences et de génie
Département de génie électrique et de génie informatique
PLAN DE COURS
GEL-4201 : Communications optiques
NRC 11627 | Hiver 2016
Préalables : GEL 2001 ET (GEL 3002 OU GEL 2900 OU PHY 2001)
Mode d'enseignement : Présentiel
Temps consacré : 3-2-4
Crédit(s) : 3
Ce cours transmet les connaissances de base sur le fonctionnement et les conditions d'opération des principaux éléments des systèmes
de communications optiques. Il aborde les caractéristiques de la propagation de la lumière dans une fibre optique, les sources de
lumière à semi-conducteur, les photodétecteurs, les amplificateurs optiques et la connectique. Il initie l'étudiant aux appareils et aux
techniques de mesure permettant d'évaluer les propriétés de ces composants. Il décrit les communications optiques numériques
cohérentes en présentant les formats de modulation, le multiplexage en longueur d'onde et les architectures de réseaux. Il discute de la
conception d'un système de communications optiques et de l'évaluation de la performance d'un lien par la mesure de taux d'erreur. Il
traite de sujets d'actualité tel le déploiement de la fibre jusqu'au domicile.
Plage horaire
Cours en classe
jeudi
09h30 à 12h20
PLT-2903
Du 11 janv. 2016 au 22 avr. 2016
Laboratoire (11634)
-
00h00 à 00h00
Du 11 janv. 2016 au 22 avr. 2016
Il se peut que l'horaire du cours ait été modifié depuis la dernière synchronisation avec Capsule. Vérifier l'horaire dans Capsule
Site de cours
https://www.portaildescours.ulaval.ca/ena/site/accueil?idSite=68431
Coordonnées et disponibilités
Sophie La Rochelle
Professeure
Pavillon Optique-Photonique, bur 2127
[email protected]
656-2131 poste 3559
© Université Laval
Sophie Larochelle
Enseignante
[email protected]
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Soutien technique
Pour recevoir du soutien technique relatif à l'utilisation du Portail des Cours, contactez :
Comptoir LiberT (FSG)
Pavillon Adrien-Pouliot, Local 3709
[email protected]
418-656-2131 poste 4651
Session d'automne et hiver
Lundi
08h00 à 18h45
Mardi
08h00 à 18h45
Mercredi
08h00 à 18h45
Jeudi
08h00 à 18h45
Vendredi
08h00 à 16h45
Session d'été
Lundi
08h00 à 16h00
Mardi
08h00 à 16h00
Mercredi
08h00 à 16h00
Jeudi
08h00 à 16h00
Vendredi
08h00 à 16h45
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Sommaire
Description du cours .......................................................................................................................... 4
Lien avec le programme ..................................................................................................................................................................................................... 4
Objectifs ................................................................................................................................................................................................................................. 4
Déroulement du cours ........................................................................................................................................................................................................ 4
Modalités sur les laboratoires ........................................................................................................................................................................................... 4
Contenu ................................................................................................................................................................................................................................. 4
Contenu et activités ........................................................................................................................... 5
Évaluations et résultats ..................................................................................................................... 5
Échelle des cotes .................................................................................................................................................................................................................. 5
Modalités d'évaluation ....................................................................................................................................................................................................... 6
Informations détaillées sur les évaluations sommatives ............................................................................................................................................ 6
Examen partiel .............................................................................................................................................................................................................. 6
Examen final ................................................................................................................................................................................................................... 6
Rapport Labo#1 ............................................................................................................................................................................................................. 6
Rapport Labo#2 ............................................................................................................................................................................................................. 7
Rapport Labo#3 ............................................................................................................................................................................................................. 7
Rapport Labo#4 ............................................................................................................................................................................................................. 7
Rapport Labo#5 ............................................................................................................................................................................................................. 7
Détails sur les modalités d'évaluation ............................................................................................................................................................................. 7
Modalités sur les laboratoires ........................................................................................................................................................................................... 8
Politique sur l'utilisation d'appareils électroniques ..................................................................................................................................................... 8
Politique sur le plagiat et la fraude académique .......................................................................................................................................................... 8
Étudiants ayant un handicap, un trouble d’apprentissage ou un trouble mental ................................................................................................ 8
Matériel didactique ............................................................................................................................ 8
Matériel obligatoire ............................................................................................................................................................................................................. 8
Matériel complémentaire ................................................................................................................................................................................................... 9
Médiagraphie et annexes ................................................................................................................... 9
Bibliographie ......................................................................................................................................................................................................................... 9
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Description du cours
Lien avec le programme
Ce cours transmet les connaissances de base sur le fonctionnement et les conditions d'opération des principaux éléments des systèmes
de communications optiques. Il aborde les caractéristiques de la propagation de la lumière dans une fibre optique, les sources de
lumière à semi-conducteur, les photodétecteurs, les amplificateurs optiques et la connectique. Il initie l'étudiant aux appareils et aux
techniques de mesure permettant d'évaluer les propriétés de ces composants. Il décrit les communications optiques numériques
cohérentes en présentant les formats de modulation, le multiplexage en longueur d'onde et les architectures de réseaux. Il discute de la
conception d'un système de communications optiques et de l'évaluation de la performance d'un lien par la mesure de taux d'erreur. Il
traite de sujets d'actualité tel le déploiement de la fibre jusqu'au domicile.
Ce cours participe à la poursuite des objectifs suivants du programme de Génie électrique:
• connaître les technologies pertinentes aux divers champs d'application du génie électrique;
• développer l'ouverture sur des champs d'applications tels que la fabrication de matériel d'ordinateur, la conception de logiciels
complexes, la commande industrielle, la conception et la fabrication assistées par ordinateur, l'instrumentation et la mesure, les
systèmes intelligents, le multimédia, la réalité virtuelle ou encore les communications numériques.
Objectifs
À la fin de ce cours, l'étudiant devra être en mesure de :
• Comprendre le fonctionnement des éléments constituant un système de communications optiques, en saisir les limitations et en
mesurer les performances;
• Comprendre les facteurs qui favorisent le déploiement des systèmes de communications optiques ainsi que les compromis qui
interviennent dans leur conception;
• Appliquer les connaissances acquises à la conception de liens de communications optiques et au calcul de leur performance;
• Appliquer les connaissances acquises à la réalisation de dispositifs et d'instruments basés sur la manipulation de signaux optiques.
Déroulement du cours
Le cours est dispensé sous forme de trois heures de cours magistral par semaine. Au cours de la session, il y aura aussi cinq séances de
laboratoire de trois heures.
Modalités sur les laboratoires
Les laboratoires se font individuellement ou par équipe de deux personnes sous la supervision d'un assistant. Une heure de formation à
la sécurité laser est obligatoire afin d'avoir accès au laboratoire. Les cinq activités de laboratoire prévues à l'horaire sont:
• Laboratoire #1: Mesure de pertes dans des liens de fibres optiques par OTDR (3h)
• Laboratoire #2: Mesure spectrales de sources optiques et de filtres (3h)
• Laboratoire #3: Caractérisation d'un amplificateur optique (3h)
• Laboratoire #4: Mesure de la performance d'un lien de communication optique (6h)
• Laboratoire #5: Transmission WDM et effets non linéaires (3h)
Contenu
Le contenu des cours magistraux se répartit comme suit:
• Introduction aux systèmes de communications optiques (1h) : Historique. Principes généraux: le spectre optique, les
communications analogiques et numériques, le multiplexage TDM, WDM et PDM. La modulation d'amplitude et la modulation de
phase.
• Rappel sur la propagation dans un guide d'onde plan (1h) : Guide plan symétrique et asymétrique. Modes et constantes de
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• Rappel sur la propagation dans un guide d'onde plan (1h) : Guide plan symétrique et asymétrique. Modes et constantes de
propagation.
• La fibre optique en tant que guide d'onde diélectrique (4h) : Modes d'une fibre à saut d'indice. Fibre optique monomode, fibre
optique multimode et fibres optiques faiblement multimodes. Techniques de fabrication des fibres optiques. Câbles de fibres
optiques. Fibres optiques spéciales.
• Pertes dans les liens de fibres optiques (3h) : Absorption et diffusion. Pertes de courbure. Fusion et connecteurs. Mesure de pertes
et localisation de bris par OTDR. Cours sécurité laser.
• Dispositifs à semi-conducteur (7h) : Electroluminescence et gain dans les semi-conducteurs. Diodes électroluminescentes. Laser à
semi-conducteur : conditions d'oscillation, caractéristiques d'opération et principaux types (Fabry-Perot, DBR, DFB). Modulation
directe et externe de lasers à semi-conducteur. Couplage émetteur-fibre optique. Introduction à la photonique sur silicium. Mesures
spectrales à l'aide d'analyseurs de spectre optique.
• Amplificateurs optiques (5h) : Description des amplificateurs à semi-conducteur et des amplificateurs à fibre optique. Gain,
saturation et bruit d'émission spontanée. Réponse spectrale et réponse dynamique. OSNR et facteur de bruit.
• Photorécepteurs (3h) : Principaux types de photodétecteurs. Photodiode PIN et APD. Sources de bruit et rapport signal à bruit.
Récepteur optique pour les communications 2/6 numériques. Performance et probabilité d'erreur. Diagramme de l'oeil et mesure de
taux d'erreur. Codes correcteurs d'erreur.
• Télécommunications à grande distance par fibre optique (6h) : Description de la dispersion chromatique dans les fibres optiques:
origine, modélisation et impact sur les transmissions à haut débit. Techniques de gestion de la dispersion. Télécommunications à
grande distance: liens terrestres et par câbles sous-marins. Formats de modulation et budget de puissance. Effets nonlinéaires.
Simulation de liens point-à-point.
• Communications cohérentes (3h) : Génération et détection de signaux en quadrature : modulateurs IQ et récepteurs cohérents.
Rapport signal à bruit et efficacité spectrale.
• Sujets actuels en communications optiques (3h)
Contenu et activités
Le tableau ci-dessous présente les semaines d'activités prévues dans le cadre du cours.
Titre
Date
Horaire de la session
1. Introduction et rappel sur les guides d'ondes
2. Fibres optiques: calcul de modes et fabrication
3. Origine et mesure des pertes dans les fibres optiques
4. Sources de lumière à semi-conducteur
5. Amplificateurs optiques
6. Photorécepteurs
7. Liens à grande portée
8. Réseau d'accès: PON et FTTx
9. Sujets d'actualité en communications optiques
Spécifications des fibres optiques
Laboratoires
Sécurité laser
Examens
Note : Veuillez vous référer à la section Contenu et activités de votre site de cours pour de plus amples détails.
Évaluations et résultats
Échelle des cotes
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Cote
% minimum
% maximum
Cote
% minimum
% maximum
A+
90
100
C+
70
73,99
A
86
89,99
C
65
69,99
A-
82
85,99
C-
60
64,99
B+
80
81,99
D+
55
59,99
B
77
79,99
D
50
54,99
B-
74
76,99
E
0
49,99
Modalités d'évaluation
Sommatives
Titre
Date
Mode de travail
Pondération
Examen partiel
Le 25 févr. 2016 de 09h30 à
12h20
Individuel
40 %
Examen final
Le 21 avr. 2016 de 09h30 à
12h20
Individuel
40 %
Rapport Labo#1
Dû le 19 févr. 2016 à 14h00
En équipe
4%
Rapport Labo#2
Dû le 11 mars 2016 à 14h00
En équipe
4%
Rapport Labo#3
Dû le 1 avr. 2016 à 14h00
En équipe
4%
Rapport Labo#4
Dû le 22 avr. 2016 à 14h00
En équipe
4%
Rapport Labo#5
Dû le 28 avr. 2016 à 14h00
En équipe
4%
Informations détaillées sur les évaluations sommatives
Examen partiel
Date et lieu :
Le 25 févr. 2016 de 09h30 à 12h20 , PLT-2903
Mode de travail :
Individuel
Pondération :
40 %
Matériel autorisé :
Livre et notes
Examen final
Date et lieu :
Le 21 avr. 2016 de 09h30 à 12h20 , PLT-2903
Mode de travail :
Individuel
Pondération :
40 %
Matériel autorisé :
Livre et notes
Rapport Labo#1
Date de remise :
19 févr. 2016 à 14h00
Mode de travail :
En équipe
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Mode de travail :
En équipe
Pondération :
4%
Remise de l'évaluation :
Boîte de dépot
Directives de l'évaluation :
Un seul rapport par équipe.
Rapport Labo#2
Date de remise :
11 mars 2016 à 14h00
Mode de travail :
En équipe
Pondération :
4%
Remise de l'évaluation :
Boîte de dépot
Rapport Labo#3
Date de remise :
1 avr. 2016 à 14h00
Mode de travail :
En équipe
Pondération :
4%
Remise de l'évaluation :
Boîte de dépot
Rapport Labo#4
Date de remise :
22 avr. 2016 à 14h00
Mode de travail :
En équipe
Pondération :
4%
Remise de l'évaluation :
Boîte de dépot
Rapport Labo#5
Date de remise :
28 avr. 2016 à 14h00
Mode de travail :
En équipe
Pondération :
4%
Remise de l'évaluation :
Boîte de dépot
Détails sur les modalités d'évaluation
Les examens se font en classe et durent généralement trois heures. Les examens se font à livre ouvert. Vous avez droit à vos notes de cours, vos solutions aux exercices, vos rapports de laboratoire, votre
livres, et votre calculatrice. Vous n'avez pas droit à votre ordinateur ou à votre cellulaire.
Lors des examens, vous serez évalués en fonction des objectifs du cours. De façon générale, vous devrez démontrer votre compréhension
des concepts abordés par : une interprétation juste et une bonne visualisation du problème présenté, une identification adéquate des
paramètres fournis, l’utilisation de la démarche appropriée dans la résolution du problème, l’obtention d’un résultat mathématiquement
exact et physiquement raisonnable.
L'évaluation est constituée de :
D'un examen partiel (40%), un examen final (40%) et des rapports de laboratoire (20%).
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L'évaluation formative massive à des exercices hebdomadaires.
L'usage de la calculatrice conforme au réglement de la faculté est permis pendant les examens
La note de passage est de 50%. L'étudiant ou l'étudiante qui a moins que la note de passage pour l'ensemble des examens obtient
automatiquement un échec (i.e. cote "e").
Les révisions de notes seront faites conformément à la procédure officielle du Règlement du premier cycle et des règles de la Faculté
seulement. La cote ne sera disponible qu'à la sortie du relevé de notes.
Modalités sur les laboratoires
Règlement sur la sécurité dans les laboratoires du Département de génie électrique et de génie informatique et formation sur les
dangers de l'électricité
La formation sur les dangers de l'électricité (GEL-1799) est offerte aux étudiants à chaque début de session. Elle est obligatoire pour
certains cours, et doit être suivi au plus tard au début de la session d'un cours qui la requière. Les étudiants qui n'auront pas suivi cette formation se verront refuser l'accès aux laboratoires.
Politique sur l'utilisation d'appareils électroniques
La politique sur l'utilisation d'appareils électroniques de la Faculté des sciences et de génie peut être consultée à l'adresse : http://www.fsg.ulaval.ca/fileadmin/fsg/documents/PDF/Calculatrices-autorisees-FSG.pdf.
Politique sur le plagiat et la fraude académique
Règles disciplinaires
Tout étudiant qui commet une infraction au Règlement disciplinaire à l'intention des étudiants de l'Université Laval dans le cadre du
présent cours, notamment en matière de plagiat, est passible des sanctions qui sont prévues dans ce règlement. Il est très important
pour tout étudiant de prendre connaissance des articles 28 à 32 du Règlement disciplinaire. Celui-ci peut être consulté à l'adresse
suivante:
http://www.ulaval.ca/sg/reg/Reglements/Reglement_disciplinaire.pdf
Plagiat
Tout étudiant est tenu de respecter les règles relatives au plagiat. Constitue notamment du plagiat le fait de:
i. copier textuellement un ou plusieurs passages provenant d'un ouvrage sous format papier ou électronique sans mettre ces passages
entre guillemets et sans en mentionner la source;
ii. résumer l'idée originale d'un auteur en l'exprimant dans ses propres mots (paraphraser) sans en mentionner la source;
iii. traduire partiellement ou totalement un texte sans en mentionner la provenance;
iv. remettre un travail copié d'un autre étudiant (avec ou sans l'accord de cet autre étudiant);
v. remettre un travail téléchargé d'un site d'achat ou d'échange de travaux scolaires.
L'Université Laval étant abonnée à un service de détection de plagiat, il est possible que l'enseignant soumette vos travaux pour analyse.
Étudiants ayant un handicap, un trouble d’apprentissage ou un trouble mental
Les étudiants qui ont une lettre d'Attestation d'accommodations scolaires obtenue auprès d'un conseiller du secteur Accueil et soutien
aux étudiants en situation de handicap (ACSESH) doivent impérativement se conformer à la politique d'Accommodations scolaires aux
examens de la Faculté des sciences et de génie qui peut être consultée à l'adresse : http://www.fsg.ulaval.ca/fileadmin/fsg/documents/PDF/Politique-Facultaire-Accommodements.pdf
Matériel didactique
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Matériel obligatoire
Optical fiber communications Auteur : Gerd Keiser
Éditeur : McGraw-Hill ( Boston , 2000 )
ISBN : 0072321016
Matériel complémentaire
Fiber optic test and measurement Auteur : Dennis Derickson
Éditeur : Prentice Hall ( 1998 )
Médiagraphie et annexes
Bibliographie
Liste de livres à la bibliothèque Gerd E. Keiser, Optical Fiber Communications 2e edition, McGraw-Hill Science/Engineering/Math, 1991. Dennis Derickson, Fiber optic test and measurement, Prentice Hall, 1998. Govind P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, 3rd edition, John Wiley & Sons, 2002. Govind P. Agrawal, Lightwave Technology: Telecommunication Systems, John Wiley & Sons, 2005. Joseph C. Palais, Fiber Optic Communications, 5th edition, Prentice Hall, 2005. John M. Senior, Optical fiber communications: principles and practice, Prentice-Hall International, 1992. Ivan Kaminow and Tingye Li, Optical fiber telecommunications IVA: Components, Academic Press, 2002. Ivan Kaminow and Tingye Li, Optical fiber telecommunications IVB: systems and impairments, Academic Press, 2002. J. A. Buck, Fundamentals of optical fibers, John Wiley and Sons, 2004.
Livres électroniques disponibles à la bibliothèque G. P. Agrawal :
• Nonlinear fiber optics, 2013.
• Fiber-optic communication systems, 2010.
I. Kaminow, T.Li and A. Wilner:
• Optical fiber telecommunications IVA-VIA: Components and subsystems, 2008. • Optical fiber telecommunications IVB-VIB: Systems and networks, 2008.
B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of photonics, John Wiley and Sons, 2001.
M. Nakazawa, Ultrahigh-speed optical transmission technology, 2007.
S. Ramachandran, Fiber based dispersion compensation, 2008.
N. Dagli, High-speed photonic devices, 2007.
C. DeCusatis, Handbook of fiber optic data communication, 2008.
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C. DeCusatis, Handbook of fiber optic data communication, 2008.
A. Chen and E. J. Murphy, Broadband Optical Modulators, CRC Press 2012.
K. Oh and U.-C. Paek, Silica Optical Fiber Technology for Devices and Components: Design, Fabrication, and International Standards , John
Wiley and Sons, 2012.
H. Venghaus and N. Grote, Fibre Optic Communication - Key Devices, Springer, 2012. Le Binh, Digital Processing: Optical Transmission and Coherent Receiving Techniques, CRC press, 2013. M. Nakazawa, T. Tiyazaki and K. Kikuchi, High Spectral Density Optical Communication Technologies, Springer, 2010.
W. Shieh and I. Djordjevic, OFDM for Optical Communications, Academic Press, 2009.
Autres livres de référence – général Leonid G. Kazovsky, Sergio Benedetto, Allan E. Willner, Optical Fiber Communication Systems, Artech House, 1996. Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan, Optical Networks : A Practical Perspective (Morgan Kaufmann Series in Networking), 2nd edition,
Elsevier Science & Technology Books, 2001. Gerd Keiser, Optical Communications Essentials, McGraw-Hill Companies, 2003. Mohammad Ilyas, Hussein T. Mouftah, The Handbook of Optical Communication Networks (Electrical Engineering Handbook Series), CRC
Press, 2003.
Thomas E. Stern, Georgios Ellinas and Krishna Bala, Multiwavelength Optical Networks, Cambridge press, 2009. S. O. Kasap, Optoelectronics and photonics: Principles and Practices, Prentice Hall, 2001. D. Marcuse, Theory of Dielectric Optical Waveguides, Academic Press, 1974. H. Kogelnik, Theory of Dielectric Waveguides, dans T.Tamir, Integrated Optics, Springer Verlag, Topics in Applied Physics, vol.7, 1982.
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