fibres optiques
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BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ Fibres_optiques.doc I Principe : Dans les câbles à fibres optiques, les données numériques sont émises sous forme d’impulsions lumineuses modulées. Le conducteur optique est constitué d’un matériau transparent d’indice n1 ( cœur ) en verre ou plastique, qui assure le cheminement de la lumière, entouré d’un matériau d’indice n2 ( gaine ) qui permet la réfraction de la lumière à condition de respecter la relation indice de gaine < indice de cœur ( n2 < n1 ). Cette deuxième couche est elle-même entourée d’une enveloppe de protection, généralement en plastique, qui a le double rôle de protéger la fibre mécaniquement et de piéger la lumière qui se propage dans la gaine optique. Si l’on dénude la fibre, c’est-à-dire si on enlève cette enveloppe protectrice, le milieu extérieur est l’air. Le faisceau lumineux R correspondant à une impulsion est constitué de plusieurs rayons. Enveloppe P Réflexion Cœur n1 Réfraction O D2 D1 θ Signal direct R P’ Gaine n2 Le rayon D1 suit l’axe de la fibre et parcourt la longueur du câble. Il arrive au récepteur au temps t1. Le rayon D2 est réfléchi par la gaine et parcourt la distance la plus longue. Il arrive au récepteur au temps t2. Les autres rayons arrivent au récepteur dans l’intervalle de temps t2-t1. On appelle indice de réfraction n d’un milieu transparent, le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à la vitesse de la lumière dans le milieu considéré. Plus l’indice est grand, plus la lumière est lente. PAGE : 1 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ Si l’on appelle c la vitesse de la lumière dans le vide ( c = 300 000 km / s ), la vitesse de la lumière v dans un milieu d’indice n est alors : v c n Considérons un rayon lumineux qui se propage dans un milieu homogène d’indice n1 sous un angle i1 par rapport à la normale à la surface de séparation avec un milieu d’indice n2. Naturellement, le rayon lumineux transporte de l’énergie et lorsque ce rayon frappe la surface de séparation, une partie de l’énergie est réfléchie tandis que l’autre partie pénètre ( réfraction ) dans le milieu suivant sous un angle i2. Rayon incident Rayon réfléchi i1 i’1 milieu d’indice n1 Surface de séparation milieu d’indice n2 i2 Rayon réfracté Les lois de Snell-Descartes permettent de quantifier d’avantage ces aspects de réflexion et de réfraction. On montre que la réflexion se fait sous le même angle ( i’1 = i1 ) et que la réfraction s’opère sous un angle i2, tel que : sin i1 n 2 sin i 2 n1 Remarque : cette propriété n’est vérifiée que pour des valeurs angulaires appartenant à l’intervalle [ 0 , 90° ] puisque la fonction sinus est croissante dans ce domaine. On se placera donc dans le cas n1 > n2. Si l’on augmente progressivement la valeur de l’angle d’incidence i1, l’angle de réfraction se rapproche très rapidement du plan de séparation. Pour une valeur appelée angle de réflexion totale iL, le rayon réfracté devient tangent à la surface de séparation, et pour toute valeur i1 supérieure à iL, il n’existe plus de rayon réfracté. On a par ailleurs : n1 . sin i1 = n2 Seuls les rayons incidents < ou = à o seront guidés dans la fibre. On appelle « ouverture limite » la grandeur sin o limite avec : sin o limite = n2 n1 2 2 Cette ouverture numérique décrit en fait la quantité de lumière qu’une fibre peut collecter, en pratique, 0,1 < sin o limite < 0,6. PAGE : 2 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ L’angle lui correspondant s’appelle « angle d’incidence limite » ou « angle d’acceptance » o max = Arcsin o max avec : n2 n1 2 2 1) La durée de traversée du rayon D1 est donné par la relation : l t1 v Or avec : * t1 : temps mis par le rayon D1 pour parcourir la totalité de la fibre ( s ), * l : longueur de la fibre ( m ), * v : vitesse de la lumière dans le milieu considéré ( m / s ). donc c v n t1 l.n1 c 2) La durée de traversée du rayon D2 est donné par la relation : 2 ln t2 1 cn2 Exemple : Soit une fibre optique de 5 km de long, d’indice de cœur 1,48 et d’indice de gaine 1,44. a) Exprimer la durée de traversée t1 du rayon D1 en fonction de n1, l et c. Calculer cette valeur t1. _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ b) Exprimer la durée de traversée t2 du rayon D2 en fonction de n1,n2, l et c. Calculer le temps t2 mis par le rayon D2 pour parcourir la fibre. Calculer cette valeur t2. _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ c) Calculer l’ouverture numérique sin o limite correspondante : _________________________________________________________________________________ d) Calculer l’angle d’acceptance o max : _________________________________________________________________________________ PAGE : 3 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ II Débit d’impulsions transmises par la fibre optique : Les données numériques étant émises sous forme d’impulsion électriques, l’étalement t2 - t1 de l’impulsion de sortie augmente l’intervalle t entre une première impulsion et une deuxième impulsion. Deux impulsions de sortie ne peuvent être distinguées à la sortie de la fibre que si elles ne se chevauchent pas. Donc il faut un intervalle de temps en entrée t > t2 - t1. U Entrée de la fibre 1ère impulsion Sortie de la fibre t t1 t2-t1 t t2 Le débit d’une fibre optique correspond au nombre d’impulsions par seconde transmises par cette fibre : ( D 1 t impulsions / s ) Exemple : Calculer le débit maximum de la fibre précédente : _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ III Atténuation et budget optique : 1) L’atténuation est due à la diffusion et à l’absorption des matériaux utilisés et éventuellement aux mauvaises conditions de pose ( rayon de courbure ). Exprimée en dB / km , elle correspond au rapport entre la puissance injectée ( émise ) et la puissance reçue, par unité de longueur. Un affaiblissement de 3 dB correspond à une perte de signal de 50 % du signal. L’atténuation varie en fonction de la longueur d’onde. Trois « fenêtres » optiques sont utilisées : 850, 1300 et 1550 nm. Les longueurs d’onde généralement utilisées dans les équipements correspondant aux longueurs d’onde 850 et 1300 nm. PAGE : 4 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ 2) Le budget optique exprime le capital d’affaiblissement d’une liaison optique, c’est à dire la perte de puissance maximale autorisée pour la liaison. L’affaiblissement total du signal qui traverse la fibre doit toujours se situer en dessous du budget optique. A l’affaiblissement du câble s’ajoutent différentes pertes ( connecteurs…). Budget optique = puissance injectée – puissance reçue 3) Portée d’une fibre optique : C’est la distance maximum d’une fibre en tenant compte de l’affaiblissement, du budget optique et des différentes pertes dans la fibre : Portée max. ( km ) = Budget optique ( dB ) – Pertes ( dB ) Atténuation du câble ( dB / km ) Exemple : Le niveau de puissance optique injectée dans une fibre monomode est de –25 dB. Le niveau de puissance optique reçue doit être supérieur à –40 dB. L’affaiblissement linéique de cette fibre est de l’ordre de 0,8 dB/km. Un affaiblissement de 1,3 dB est à prendre en compte pour chaque connecteur. Une marge de 3 dB est à prendre en compte pour la réparation éventuelle de la fibre et de son vieillissement. Quelle est la portée maximale de cette fibre : _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ IV Structures des guides d’ondes optiques : 1) Fibres multimodes à saut d’indice : Les fibres à saut d’indice ( 200 / 380 ) sont constituées d’un cœur et d’une gaine optique en verre de différents indices de réfraction. Cette fibre provoque de par l’importante section du cœur, une grande dispersion des signaux la traversant, ce qui génère une déformation du signal reçu. La fibre multimode est la plus employée pour les réseaux privés. PAGE : 5 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ 2) Fibres multimodes à gradient d’indice : Les fibres à gradient d’indice ( 50-62,5 / 125 ) possèdent un cœur constitué de couches de verre successives ayant un indice de réfraction proche. On approche ainsi d’une égalisation des temps de propagation, ce qui veut dire que l’on a réduit la dispersion nodale. Bande passante typique : 200-1500 Mhz par km. 3) Fibres monomodes : Un seul mode appelé fondamental, se propage à l’intérieur de la fibre. Elles ont un diamètre de cœur ( 10 m ) faible par rapport au diamètre de la gaine ( 125 m ) et proche de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de la lumière injectée. L’onde se propage alors sans réflexion et il n’y a pas de dispersion nodale, d’où des performances bien supérieures et notamment la largeur de la bande passante : > 10 Ghz par km. La portée atteint une cinquantaine de kilomètres. La fabrication de cette fibre, qui nécessite une grande précision, a été plus difficile à mettre au point, et c’est pourquoi elle a d’abord été réservée aux applications nécessitant un débit élevé et où les coûts des équipements restent prépondérants vis à vis du support. Ces fibres sont surtout utilisées pour les services télécoms sur de très longues distances. PAGE : 6 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ 4) Affaiblissement des diverses fibres : L’atténuation est constante quelle que soit la fréquence. Seule la dispersion lumineuse limite la largeur de la bande passante. V Composition des fibres optiques : Il faut trouver les matériaux diélectriques ayant la plus faible atténuation possible et les meilleures propriétés mécaniques. Pour cela les professionnels utilisent : Les verres : un grand nombre d’entre eux présentent de bonnes propriétés mécaniques, mais à l’heure actuelle, leurs atténuations restent encore trop importantes ( 40 à 50 dB / km voire pire…). Ces fibres seront par conséquent utilisées non pas pour des grandes distances mais pour des plus courtes ( pour le consommateur, ex : HI-FI ). La silice : ce corps présente pour avantage une absorption extrêmement faible pour les longueurs d’onde courantes. Il est à noter que ce corps ne possède que de médiocres propriétés mécaniques, cependant, c’est avec ces fibres optiques à base de silice que l’on a obtenu les meilleurs résultats ( en termes de débit ). Le quartz synthétique : même propriétés. Le plastique : les avantages sont le prix ( quelques euros par connecteur et par mètre ) et la facilité de pose : il suffirait d’une minute pour la poser sans avoir recours à aucun outillage spécifique. Les fibres en plastique sont utilisées majoritairement pour les réseaux locaux et pour les objets grand public, ex : HI-FI ). Les liquides : il est connu que certains liquides ont des atténuations très faibles dans la gamme visible, et de plus, se purifient très facilement par distillation, ce qui n’est pas le cas des corps précédemment cités. On peut ainsi rencontrer des fibres multimodes dites à « cœur liquide » utilisant différents liquides ( hexachlorobutadiène, tétrachloroéthylène…). VI Avantages de la fibre optique : * Elle offre une largeur de bande passante supérieure à celle du câble traditionnel. Résultat : une plus grande capacité de transmission. * Un affaiblissement moindre du signal. * Une pose plus facile grâce à une taille et un poids plus réduit des câbles de fibres. * Une qualité de transmission meilleure car le signal lumineux est insensible aux perturbations électromagnétiques comme la foudre ou les parasites provoqués par les forts courants industriels. * Isolation galvanique parfaite entre l’émetteur et le récepteur. * Aucun problème de masse électrique ( terre ). * Aucun risque d’explosion. * Risques de piratage réduits. * Constituant de la fibre disponible en quantité ( principalement la silice ). * Baisse du prix de revient de la fibre. PAGE : 7 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ VII Inconvénients de la fibre optique : * Prix de revient de la connectique et des convertisseurs électriques / lumineuses assez importants. * Mise en œuvre délicate pour véhiculer plusieurs signaux sur la même fibre. * Mise en œuvre délicate pour l’utilisation bidirectionnelle d’une fibre ( multiplexage ). * Installation délicate : rayon de courbure minimum pour des installations « volantes ». * Sensible aux variations de température : la chaleur excessive dilate la fibre et modifie les caractéristiques de la bande passante, le froid la fragilise notamment lors de la pose. VIII Conversion des signaux : La conversion des signaux électriques en signaux optiques s’effectue au moyen d’un transceiver Ethernet : Le transceiver optique a pour fonction de convertir des impulsions électriques en signaux optiques véhiculés au cœur de la fibre. A l’intérieur des deux transceivers partenaires, les signaux électriques seront traduits en impulsions optiques par une LED et lus par un phototransistor ou une photodiode. On utilise une fibre pour chaque direction de la transmission. Les émetteurs utilisés sont de trois types : * Les LED ( Light Emitting Diode ) qui fonctionnent dans le rouge visible ( 850 nm ). Puissance injectée 0,1 mW. * Les diodes à infrarouge qui émettent dans l’invisible à 1300 nm. * Les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d’onde est de 1300 ou 1550 nm. Puissance injectée 0,5 mW. IX Les câbles de fibre optique : Les fibres optiques sont placées dans des câbles qui en assurent le conditionnement, la protection mécanique et chimique. La taille et le poids réduit des câbles à fibres optiques permettent des poses d’un seul PAGE : 8 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ tenant pouvant dépasser 4800 m contre seulement 300 m avec un câble coaxial en cuivre. Les plus petits câbles comprennent 4 à 6 fils, les plus gros, jusqu’à 210 fibres. Il existe deux types de structures de câbles : 1) Structure serrée ( doc. C7 ) : Une gaine plastique est appliquée directement sur la gaine optique. Ce type de structure renforce mécaniquement la fibre, et lui apporte la souplesse nécessaire à la réalisation des cordons de brassage ou des câbles à l’intérieur des immeubles. 2) Structure libre ( doc. C7 ) : Une ou plusieurs fibres sont placées « libres » à l’intérieur d’un tube. Ce type de fibre est particulièrement utilisé pour les liaisons inter bâtiments. Structures les plus employées : 1) FO intérieure ( 62,5 / 125 ) : Généralement en structure serrée, constituée d’une gaine extérieure ronde, ce câble peut contenir de 2 à plus de 40 fibres en structure libre ou serrée, permettant le raccordement direct de connecteurs ( principe Break-Out ). 2) FO extérieure ( 62,5 / 125 ) ( doc. C6 ) : Généralement en structure libre, ce câble est constitué d’une gaine externe en polyéthylène et destiné au raccordement inter bâtiments. Les différents types de fibres peuvent être fournis avec des gaines spécifiques pour l’emploi à l’extérieur, dans des milieux chimiquement perturbés, et avec des armures antirongeurs. X La connectique : 1) Différents types de connecteurs : a) Connecteur ST : Il utilise un système de verrouillage à baïonnette. C’est le connecteur le plus courant. Sa férule en céramique garantit de hautes performances. PAGE : 9 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ b) Connecteur SC : Il possède un corps surmoulé et un système de verrouillage à pousser et tirer. Il est parfait pour les applications de bureau, la télévision par câble et la téléphonie. c) Connecteur FFDI : Il présente une férule flottante en céramique de 2,5 mm et une jupe fixe afin de réduire les pertes lumineuses. Un capot fixe entoure la férule pour la protéger. d) Connecteur MT-RJ : Il présente un verrouillage RJ similaire aux cordons souples Catégorie 5 et téléphoniques, il possède un corps moulé et s’installe par simple encliquetage. e) Connecteur VF 45 : C’est un autre connecteur miniaturisé utilisant une technologie de cannelure en « V ». 2) Raccordements : Il existe deux types principaux de raccords entre deux fibres optiques ; les joints et les jarretières : a) Le raccordement mécanique qui comprend le plus souvent le couplage de deux connecteurs mis bout à bout. b) Le raccordement par « Splice » mécanique qui est utilisé pour les réparations à la suite d’une rupture. c) Le raccordement par fusion par arc électrique. Ils sont utilisés en ligne pour raccorder deux fibres. C’est la méthode qui procure le moins d’affaiblissement : 0,1 dB. PAGE : 10 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ d) Les tiroirs optiques permettent de brasser les fibres provenant des différents câbles au moyen de jarretières ( en jaune ) ( doc. C16 ) et de connecteurs optiques. Cette opération est nécessaire pour effectuer les différentes dérivations dont certaines constituent les points de sortie vers le réseau du client. L’affaiblissement engendré par un point de connexion : ( 2 connecteurs et 1 jarretière ) est inférieur ou égal à 0,7 dB. 3) Les répéteurs : Malgré les performances de plus en plus élevées des fibres, le signal s’affaiblit avec la distance et il faut le régénérer régulièrement : c’est le rôle du répéteur optique. XI Exemple de réseau avec liaison par fibre optique : PAGE : 11 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ XII Fibre optique et réseaux : Les principaux standards de réseaux faisant appel à la fibre optique sont l’IEEE802.3 ( 10baseF l’IEEE802.5 ( Token Ring / J ) et l’ANSI X3T9.5 ( FDDI ). ), XIII Mesure de qualité : Après avoir installé une liaison en fibre optique, il convient de mesurer la perte induite par la fibre ellemême et par les connexions effectuées. Le Réflectomètre est un appareil qui envoie une impulsion optique calibrée dans le câble ou la fibre. Un écran permet de visualiser l’allure du signal réfléchi dans le verre. On peut ainsi mesurer avec précision la longueur de la liaison et les pertes engendrées à chaque connexion. Si le câble est correctement terminé par une résistance égale à son impédance, le signal émis sera entièrement absorbé et on ne mesurera aucune réflexion. On obtiendra un signal réfléchi négatif en cas de courtcircuit ou de trop grande absorption ( fig 1 ). Sinon, on obtiendra un signal réfléchi positif si le câble est ouvert ou mal adapté par une résistance de trop grande valeur ( fig 2 ). Le temps de propagation dans le câble ou la fibre donne la mesure (en m ) de l’endroit du défaut par rapport au réflectomètre ou des pertes par atténuation, dans le cas de la fibre optique. On calcule le signal réfléchi selon la formule : Aréf Aém avec z2 - z1 z1 z2 z1 : impédance du câble z2 : impédance de la terminaison Aréf : signal réfléchi Aém = signal émis PAGE : 12 BAC. PRO. MRIM. LES RESEAUX COURS S.T.I. FIBRES OPTIQUES N° : ____ PAGE : 13
