Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France Expérimentations virtuelles et simulations en ligne de circuits

Y.Moreau -Groupe photonique - Centre Electronique, Université de Montpellier II, France

Expérimentations virtuelles et simulations en ligne de circuits d'optique guidée

Yves Moreau


La simulation :Réalité

Modèle entrée sortie :prédiction de valeurs

Modèle cognitif :connaissance des

phénomènes internes

Résolution analytique :hypothèses

simplificatricesmais interprétation

directe

Résolution numérique :sorties en fonction des

entrées

Equations différentielles :fonctionnement simulé de

la réalité

Modèle :équations,

représentation idéalisée de la réalité


La simulation comme outil pédagogique :

La simulation comme expérience virtuelle :

•grandeurs non visibles observables

•aspect visuel

•Paramétrage irréel pour expliquer et/ou comprendre:

•Balayage paramétrique => courbe sortie/entrée

•Calcul rapide : essais et validations


=> présentation active, encore peu fréquente, de simulations, de calculs scientifiques, exécutés en ligne par la simple utilisation de logiciels de navigation dotés de machines virtuelles (tels que les logiciels usuels Netscape ou Internet Explorer).

Internet et ses outils dans la formation scientifique?

Au delà de la consultation de documents textes ou images, de base de données...

=> expérience, démonstration de cours

=> enseignement à distance

=> expérimentation virtuelle (TP)


Java : un langage pour le calcul scientifique ?

•Orienté objets : additions, modifications facilitées

•Rapidité, avec la compilation dynamique

•Toute plateforme (PC sousWindows, PC sous Linux, MacIntosh, UNIX)

•Interface conviviale standard grâce aux « packages » inclus

•Accessible partout et gratuitement, sans installation, avec « browsers » (Netscape)


•programmes accessibles par Internet, outil attractif, apprécié et utilisé par les nouvelles générations d’étudiants.

•chargement « léger »: quelques dizaines de kOctest/appletaspect visuel développé : nombreuses classes d’objets inclus dans l’environnement Javaintégration directe des explications scientifiques : une applet java est habituellement lancée depuis une page d’hypertexte (“ HTML ”) tout à fait adaptée aux explications hiérarchisées et renvois vers d'autres rubriques.

Les avantages d’une approche “ Java ”?


exécution sur machines différentes (PC \Windows, PC \Linux, MacIntosh, station Unix etc.).mise à jour aisée.rapidité d’exécution (~ C ou C++), depuis l’apparition de la compilation Just In Time ou des compilateurs statiques.utilisation gratuite, publicité envisageable.

Les avantages (suite).

Une dizaine d’applets ont été développées :

http://www.cem2.univ-montp2.fr/~moreau/


Langage orienté objet, java est particulièrement adapté au développement relativement rapide d ’applications pour l’enseignement.

Le chargement du code compilé Java (“ applet ”) est la seule information transmise depuis le site (de l'ordre de quelques dizaines de kilo-octets).

L’interprétation du code et l’exécution du programme sont effectuées localement de façon transparente sur l’ordinateur de l’utilisateur consultant le site, à l’aide de son navigateur internet (browser).

Les « applets » Java


Tests of the Quicksort algorithm, sorting 1,048,576 random 64-bit floating point numbers, on a 1GHzPentium III processor and 1.33 GHz/DDR Athlon. Execution times are given in seconds.

0.5720.820FORTRAN

0.4020.800C++

0.5740.921Java – Server Hotspot JIT

0.5410.897Java – Client Hotspot JIT

5.18 sec5.83 secJava - Interpreted

AthlonPIIICode

D’après J. C. Schatzman, « Writing High Performance Java Code Which Runs as Fast as Fortran,C or C++ »

Proc. SPIE, vol. 4521 p.106,, Denver, August 2001


Comprendre la fréquence :

avec une "machine hydraulique" dont le fonctionnement est plus concret que l'homologue électronique (résistance-condensateur).

depuis la fréquence ...


…à la synthèse de Fourier et ...

On reconstitue un signal en additionnant les harmoniques cosinusoïdaux: synthèse visuelle et sonore !


•Modulation Q.A.M (modem): cosinus + sinus modulés en amplitude.•Modulation D.M.T. pour l'ADSL :

En réception, F.F.T: les coefficients de Fourier sont le message

… à l'A.D.S.L.


PLUGGED INClose to 1 in 10 U.S. households now has high-speed Internet service

Speed*

U.S. users (Mbit/sec) Monthly price

Surfing faster with fiber Palo Alto residents test high-speed Internet lines

Saturday, January 19, 2002

Bob Harrington got on his bike outside his Palo Alto home, for high-speed Net access. Chronicle photo by Penni

A single strand of optical fiber can handle 5 million telephonePhoto by David Duprey

letting him access the Net at speeds dozens of times faster than traditional dial-up modems.But Harrington says his new connection leaves his cable modem in the dust. For the past few months, Harrington and 66 neighbors have been testing a next generation fiber-optic network, which is three to four times faster than cable or DSL service. The speed advantage over wireless and satellite is even starker."It feels real good to be one of the fastest Internet users on the planet," said Harrington, who pays $85 per month for the service. "It is way too early to tell you how my Internet habits will change, but they certainlywill."

Although more than 10 million U.S. households now* have DSL or cable modem service, making Internet access as common as SUVs in upscale communities, a few neighborhoods around the country are now experimenting with even faster links, using packets of light instead of electrons to move data at blazing speeds.To be sure, access is limited to a handful of new developments and experimental trials. Indeed, the figure is so small that the Yankee Group, a Boston research firm, hasn't bothered to include fiber optics in its projections for residential high-speed Internet access through 2005. "Fiber to the curb is very limited," said Yankee analyst Imran Khan.

B

Cable modem 7 million 1.5 $46 (1)

DSL 3.3 million 1 to 1.5 $50Wireless 300,000 0.5 to 1.5 $50 (2)Satellite 61,300 0.15 to 0.5 $75 (3)

Fiber N/A 4.5 to 9 $85(4)

* Typical download speed. Varies by company and location.1 AT&T Broadband, the dominant cable modem provider in the Bay Area.2 Speeds and price are for Sprint Broadband Direct, which operates in theBay Area but has stopped signing up customers.3 Speed and price are for Starband/Dish Network.4 Speeds and prices are for Palo Alto's Fiber-to-the-Home trial..Source: Yankee Group, Chronicle research

But proponents say the Palo Alto trial provides a glimpse into the future of Internet access -- a time when residents will be able to easily rent movies online, chat with friends on near-broadcast quality Webcams or play sophisticated Internet games.

ob Harrington has long been an Internet speed demon. Three years ago, the Palo Alto angel investor signed up for cable modem service,


Des Circuits optiques intégrés

« DWDM has proven to be one of the hottest niches in the telecommunications market. »

•Les autoroutes des télécoms :plutôt sous l’eau (fibres optiques) que dans le ciel (satellites).

•L’optique intégrée était une technologie du futur depuis 30 ans.

•Echanges de données : + 85 % /an•Trafic vocal : + 10% /an

•55 % des cadres Européens n ’ont pas encore de courrier électronique.•IDC (cabinet d ’études) prévoit 28 millions d ’objets connectés au Web vendus en 2002 aux USA

•Les débits accessibles à court terme atteignent le Terabit/sec

=> haut débit.

=> Les technologies optiques ont maintenant leur « niche »: multiplication des canaux en transmission large- bande ..

Marché du DWDM : 8 milliards de $ en 2003


Today’s NetworksPresent Network TopologyPresent Network Topology

D’après David B. Tuckerman (CMEA Ventures), “A Venture Capitalist’ View of Photonics Technology SPIE/Photonics West, 24

January 2002


• Custom packaging

• Quality based

service

• Complete solution

• Fully tested and qualified

Integrated Photonic Solution


Semi-conductors

Glasses

Dielectric layers

Polymers

lithium Niobate

ElectronicsCompatibility

Active Circuits

CostOptical fiber Compatibility

PassiveCircuits

Materials for Integrated Optics


Our organic-inorganic material extends the possibilities to design optical circuits :

•Various geometrical shapes, various thickness and index,•Circuits stacked on several layers

New adapted tools are required to study optical modes and simulate beam propagation.


Quelques circuits

5336µm415µm

20283µm

200µm

Coupleurs directionnels

Diviseurs MMI

Wavelength Division multiplexer :

•phasars with star couplars•phasars nwith MMI

Diviseurs de puissance en Y

Outil de simulation: Beam Propagation Method


i j

Aij',ij cij = ne2 cij'

• Elements of the matrix of the algebraic system are integrals on parts of the guide section.

dxdy)y,x(w)y,x...,c.(...Equ ij

•Differential equations are converted to an algebraic system by Galerkine method:

= 0Equ.(..cij..) = 0 (x,y)

with Aij',ij = (n2(x,y) - no2)Sij(x,y) Sij'(x,y) dx dyn

1

n2no

Modal analysis in guide sections

[for diagonal element]

- (i2/Lx2 + j2/Ly

2) + no2 x area_of _sub_domain

<=>

•Transverse profiles are expressed as weighted sum of sine functions : E(x,y,z) = exp(-iz) cij Sij(x,y)

with Si,j(x,y) = Si(x) x Sj(y) = 4 /Lx Ly) sin (i x/Lx) sin (j y/Ly).

z

x

y•Wave equation for electric field :

0)ln(

2)ln(

22

2

222

yxn

Ex

nE

EEyx

)( 222

22 Enk

yx x

xx

n3

Equ.(..cij..) = 0 (x,y)


L’optique intégrée permet la réalisation de DWDMs, circuits tout optiques qui permettent le (dé)multiplexage des canaux d’information.


DWDM@1300 nm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

1296.00 1297.00 1298.00 1299.00 1300.00 1301.00 1302.00 1303.00

Longueurs d'onde (nm)

Pu

issa

nc

e o

pti

qu

e (

dB

)

-50

-40

-30

-20

-10

0

1.2976 1.2984 1.2992 1.3 1.3008 1.3016 1.3024

)wavelength (um)

po

wer

(d

B) [email protected]

[email protected]

output@0

[email protected]

[email protected]

Simulations

Mesures

Puissance récupérée sur chaque sortie en fonction de la longueur d’onde


Conclusion

•Les nouveaux outils Internet (notamment Java) permettent des simulations efficaces et facilement accessibles.

http://www.cem2.univ-montp2.fr/~moreau/

•Visitez notre site :•Merci !

Expérimentations virtuelles.

Exploration de paramétrage.

Outil pédagogique de démonstration.

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