Fibres optiques

Télécommunication Optique
Najjar M.
FIBRES OPTIQUES
Avantages des fibres optiques :
• Performances de transmission :
très faible atténuation (0,2dB/km)
très grande bande passante
multiplexage en longueur d’onde possible
10 Gbit/s par l
• Avantages de mise en oeuvre :
faible poids, très petite taille, grande souplesse
sécurité électrique (isolation) et électromagnétique
• Avantage économique :
coût global du système souvent inférieur
à celui d'un système “ sur cuivre ”
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FIBRES OPTIQUES
Domaines d’utilisation :
Marché
actuellement saturé
• Télécommunications et réseaux :
Liaisons longue distance, terrestres et sous-marines (WAN)
Réseaux métropolitains (MAN)
Réseaux locaux informatiques (LAN)
Toujours en croissance
Réseaux d’accès des abonnés
futur marché ?
• Liaisons industrielles :
contrôle, video, bus de terrain …
Insensibilité aux
perturbations
• Capteurs et instrumentation optique
• Transport de lumière
éclairage, visualisation, faisceaux laser …
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FIBRES OPTIQUES
• Signaux transmis
• numériques en bande de base :
Télécom, réseaux,
informatique …
• analogiques :
télémesures, surveillance video …
• déport optique de signaux microondes
modulés sur une sous-porteuse
(GHz à dizaines de GHz)
Déport d’antennes, accès large bande, LAN sans fils …
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FIBRES OPTIQUES
 Eléments d’un système sur fibres optiques :
Amplificateur optique
(répéteur-régénérateur pour les
anciennes liaisons)
Interface Optique d'Emission
(IOE)
signal
électrique
multiplexeur
Fibre Optique
(signal optique)
Interface Optique de
Réception (IOR)
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signal
électrique
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FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• A saut d’indice (step index) :
Cône d'acceptance
Rayon réfracté
Q0
0
Cœur (indice n1)
n(r)
q0q0
a
r
z
b
Rayon guidé
revêtement
Gaine (indice n2)
ouverture numérique ON = sin Q0 = n1 sinq0 =
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Forte différence
de temps de
propagation
n12n 22
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FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• A gradient d’indice (graded index) :
Cœur : indice n(r)
r
n(r)
0
z
a
b
n1
Gaine (indice n2)
Indice du cœur : n(r) = n1
(1  D(r/a ) 2 )
Différence relative d’indice D =
Faible différence
de temps de
propagation
n1 n2
n1
FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
à saut d’indice
à gradient d’indice
élevée
(Dtim  100 ns/km)
faible
(Dtim  1 ns/km)
Plastique
Silice/silicone
toute silice (rare)
Toute silice
(cœur « dopé » à l’oxyde de
germanium)
Ouverture
numérique
élevée
(ON = 0,4 à 0,5)
plus faible
(ON = 0,2 à 0,3)
Puissance
couplée
élevée
plus faible
Applications
Optiques (éclairage, etc …)
Trans. données très courte
distance
réseaux locaux
distribution
Dispersion
intermodale
Matériaux
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FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• Réponse impulsionnelle h(t) :
Impulsions reçues fibre à gradient d'indice
s(t) = e(t)*h(t)
Impulsion émise
e(t)
Dt
im fibre à saut d'indice
Dt
t
im
t
• Elargissement total d’impulsion :
Dt =
2
Dt ch  Dt im2
Effet de la dispersion
chromatique
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Effet de la
dispersion
intermodale
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FIBRES OPTIQUES MULTIMODES
• Réponse fréquentielle :
20 log H(f)/H(0)
0
BP
BP
f
- 3 dB
• Bande passante :
BP. L  1/2Dt
fibre à gradient d'indice
fibre à saut d'indice
en MHz.km
approximativement
• le produit longueur x bande passante est constant
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FIBRES OPTIQUES MONOMODES
• Condition de propagation monomode :
V (fréquence réduite) = a.2 n 2  n 2 < 2,4
1
2
l
• il faut donc :
•
un petit diamètre de cœur (typ. moins de 10 µm)
•
une faible différence d’indice (typ. moins de 0,5%)
l > lc longueur d’onde de coupure
• Avantages : - pas de dispersion intermodale
- conservation de la cohérence de la lumière
• Inconvénient : raccordements très précis
donc coûteux
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FIBRES OPTIQUES MONOMODES
• Caractéristiques :
Divergence du
faisceau en sortie :
q0 = l/w0
Profil à saut d’indice
(fibre standard)
r
gaine
r
n1
E(r)
n(r)
z
q0
n2
2w
2a
cœur
0
E(r) = E.0 exp -(r/w0)2
diamètre de mode
augmente avec l
Profil gaussien
du champ
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FIBRES OPTIQUES MONOMODES
• Dispersion chromatique :
– entraîne un élargissement d’impulsion :
Dtch = Dch. Dl.L
ps/nm/km
Défauts de la fibre +
biréfringence induite
(contraintes … )
• Dispersion de polarisation
(PMD, polarisation mode dispersion)
• existence de 2 polarisations de vitesses différentes
• entraîne un élargissement : Dtp = PMD.
Dt = (Dtch 2  Dtp 2)1/2
ps/km
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L
Caractère
aléatoire
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DISPERSION CHROMATIQUE
• Courbe dans la silice : Dc = DM + DG
Dc (ps/nm/km)
Dispersion
matériau DM
40
20
0
-20
1
1,2
1,4
-40
Fibre à dispersion décalée
(DSF) G653 nulle à 1,55 mm
Pas adaptée
1,6
l (mm)
au WDM
Fibre NZ-DSF G655
(non zero – dispersion shifted fiber)
Dispersion faible dans toute la 3ème fenêtre
Fibre standard G652 : optimale à 1,3 mm
utilisable à 1,5 mm (liaisons pas trop longues)
+ compensation optique de la dispersion
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Dispersion guide < 0
dépend des
paramètres de la fibre
Adaptée au WDM
(mux. en longueur d’onde)
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Atténuation et pertes des fibres optiques
Dans les fibres optiques on peut distinguer trois types d’atténuation et de
pertes :
Atténuation intrinsèque
Pertes par courbure et microcourbures
Pertes aux raccordements
Atténuation intrinsèque
Dans les conditions théoriques (en particulier en l’absence de courbures et de
microcourbures), la puissance optique reste guidée dans le cœur, mais subit
une atténuation en  10z due à deux phénomènes physiques dans le matériau.
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L’absorption.
La diffusion
Najjar M.
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III.4.1.a Diffusion
La diffusion de Rayleigh est due à l’interaction de l’onde avec la matière, qui
la diffuse d’une manière relativement isotrope. Elle est proportionnelle
4
àl
On l’observe dans tous les milieux désordonnés ( verres, liquides, gaz) à cause des
fluctuations de densité sur des distances très courtes.
Pour une fibre silice à cœur dopé germanium on a numériquement:
 D (dB / km ) = (0,75  66.Dn ).l4
Avec l en microns(µm)
Dn la différence absolue d’indice entre le coeur dopé germanium et la
silice pure
.
Cette dépendance incite à travailler à des longueurs d’onde élevées, donc dans
l’infrarouge.
Absorption
Elle se compose de plusieurs termes :
 Les transitions électroniques
 Les vibrations moléculaires de la silice
Najjar M.
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Les pics d’absorption s’élective par diverses impuretés, le plus important étant dû
aux liaisons OH à 1,39 µm. Il est progressivement réduit par l’amélioration de la
technologie de fabrication.
D’après la courbe d’atténuation on peut distinguer trois fenêtres de transmission :
 La 1ere fenêtre (0,8- 0,9µm) ne correspond pas à un minimum d’atténuation (2
à 3 dB/km) ni de dispersion mais à l’optimum d’utilisation des matériaux les
mieux maîtrisés (silicium et GaAs).
 La 2eme fenêtre ( vers 1,3µm) correspond à un minimum relatif d’atténuation (0,4
à 0,5 dB/km) et au minimum de dispersion chromatique.
 La 3eme fenêtre ( vers 1,55µm) est le minimum absolu d’atténuation (0,15 à 0,2
dB/km) mais demande des composants plus coûteux et l’annulation de la dispersion
chromatique y est plus délicate.
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 (dB / km)
Absorption infrarouge
Diffusion Rayleigh
coupure des modes
d’ordre supérieur
5
2
1
0,5
0,2
Pic OH
fibre multimode
fibre monomode
0,1
1ère
0,6
0,8
2ème
1,0
1,2
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3ème
1,4
1,6
fenêtre
l
1,8 µm
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III.4.2 Pertes aux raccordements
Cause de pertes
Lorsqu’on raccorde bout à bout, par épissure ou à l’aide d’un connecteur, deux
fibres optiques, on voit apparaître des pertes ponctuelles dues à trois types de
causes
 Réflexion de Fresnel aux deux interfaces (exp verre – air 8%) dans le cas des
connecteurs, qu’on peut éviter en utilisant un liquide adaptateur d’indice, une autre
technique consiste à polir les faces des fibres en biais, Pour éviter que la lumière
réfléchie retourne dans la fibre.
 Différence entre les paramètres des deux fibres ( en principe identiques, mais en
pratique à une certaines tolérance prés).
 Mauvais positionnement relatif : excentrement transversal, désalignement
angulaire, écartement longitudinal.
Najjar M.
20
Najjar M.
21
Calcul des pertes
Les résultats sont rassemblés dans le tableau ci-dessous qui donne la perte AR en
dB et les pertes dues à chaque cause s’ajoutent.
3
w0
= 0,65  1,619.V 2  2,879.V 6
a
Les indices n1 et n2 se rapportent à la fibre d’arrivée et à la fibre de départ.
Avec 2a le diamètre de cœur et ON l’ouverture numérique.
2w0 le diamètre de mode pour les fibres monomodes.
n0 est l’indice de liquide adaptateur. Si il n’y a pas, on fait n0=1 dans les formules .
Pour limiter les pertes, les valeurs nominales de ce paramètres devront être respectées
avec une tolérance très sévère de la fabrication
Par exemple, pour la fibre à gradient d’indice 50 /125
2a= 50  2 µm et 0,2  0,01
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Pertes par courbure et microcourbures
Effet des courbures :
En pratique, l’effet d’une courbure locale est négligeable lorsque le rayon de
courbure R est grand devant un rayon de courbure critique Rc donné par :
2a  n12
RC =
ON 2
Multimode fiber

l
l


RC = 20
2
,
75

3/ 2 
lc 
(n1  n2 ) 
3
Monomode fibre

R
 R  RC
 c (dB) = 10 log



Effet des microcourbures :
Il est plus complexe. Il dépend de la forme des déformations, l’amplitude, la
répartition … etc. Il est en général étalonné expérimentalement.
Une formule permet de prévoir l’atténuation linéique due aux mêmes
microcourbures pour une fibre donnée à partir de l’atténuation mesurée sur une
2
fibre de référence.
4
6 ON
 e = 0,05. r k0 .w0 .
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am2
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FENETRES DE TRANSMISSION
• sur fibres optiques de silice :
Fenêtre
Première
Deuxième
Troisième
Longueur
d'onde
0,78 à 0,9 µm
1,3 µm
1,5 à 1,6 µm
Type de fibre
utilisées
multimode
multimode et
monomode
monomode
Atténuation
forte
(2 à 4 dB/km)
faible
(0,4 à 1 dB/km)
très faible
(0,2 dB/km)
quasi nulle
faible, non nulle
très faible dans les fibres
à dispersion décalée
Dispersion
chromatique
forte
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FENETRES DE TRANSMISSION
Fenêtre
Emetteurs :
type
matériau
Récepteurs :
matériau
Coût des
composants
Applications
Multiplexage
Première
Deuxième
Troisième
DEL ;
lasers VCSEL
D.E.L.(multi-)
D.L. standard
diodes laser DFB
(très hauts débits)
(dans mono-)
GaAlAs/GaAs
Silicium
(monochromatiques)
GaInAsP / InP
GaInAsP / InP
Ge, HgCdTe (très peu employés)
faible
moyen
Transmissions
courte distance ;
réseaux locaux ;
gigabit à très
courte distance
élevé
Transmissions
Transmissions
moyennes et
très longue distance
longues distance ;
(WAN) et à
MAN et LAN
amplification optique
haut débit
entre les deux fenêtres
"Dense"
(par exemple : une par sens)
(nombreux canaux
dans la même fenêtre)
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PRINCIPAUX TYPES DE FIBRES
Toute silice (cœur « dopé » au GeO2)
Matériau
Plastique
Type
Multimode
Diamètres
980/1000
50/125
Longueurs d’onde
et atténuation
Visible
200 dB/km
0,85 µm – 1,3 µm
3 dB/km – 0,9 dB/km
Débits typ.
et distances
10 à 100 Mb/s
100 m
Mise en œuvre
Facile
pb. particuliers
température
Coût global
Faible
cœur / gaine (mm)
Applications
principales
Eclairage,
visualisation,
trans. données
très courte
distance
Multimode gradient
d’indice
100 Mb/s /5 km
1 Gb/s /400 m
62,5/125
100 Mb/s
2 km
Assez facile
Assez faible
Distribution,
LANs hauts
débits
(GE courte
distance)
Najjar M.
LANs tous
débits
Monomode
standard
Monomode
disp. décalée
9/125
7/125
1,3 – 1,55 µm
0,5 – 0,2 dB/km
1,5 à 1,6 µm
0,22 dB/km
1 à 10 Gbit/s
20 à 50 km
n x 10 Gbit/s
milliers de km
Plus délicate
raccordements
Plus élevé (interfaces,
connecteurs)
LANs très
hauts débits,
réseaux
métropolitains,
longues dist.
Liaisons très
longues (avec
amplificateurs
et WDM)
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CABLES A FIBRES OPTIQUES
Najjar M.
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