Formation Fibre Optique
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Fibre Optique Formation Fibre Optique Généralités sur l'optique Notions élémentaires sur la F.O. DWDM Aspect matériel CIN ST MANDRIER Fibre Optique Objectifs Pourquoi la fibre Optique ? Des transmissions multiservices toujours croissantes L'avènement du réseau "tout optique" pour remplacer les réseaux numériques déployés (PDH vers 1980 puis SDH dès 1990) L'atout de la lumière guidée L'immunité aux interférences externes CIN ST MANDRIER Fibre Optique Comparaison avec les autres média Paires torsadées Câble coaxial Fibre optique Coût Bas Moyen Assez élevé Bande passante Moyenne Large Très large Longueur maximale Moyenne Elevée Elevée Immunité aux interférences Basse moyenne Moyenne élevée Très élevée Facilité de connexion Simple Variable Difficile Facilité d'installation Variable Variable Difficile Fiabilité Bonne Bonne Très bonne CIN ST MANDRIER Fibre Optique Spectre disponible La quantité d'informations susceptible d'être transportée est proportionnelle à la fréquence de l'onde porteuse : Lm = Cm/s / FHz avec C = 3 108 VLF ( Very Low Frequency ) de 3 à 30 kHz de 10 à 100 km LF ( Low Frequency ) de 30 à 300 kHz de 1 à 10 km MF ( Medium Frequency ) de 300 à 3000 kHz de 100 à 1000 m HF ( High Frequency ) de 3 à 30 MHz de 10 à 100 m VHF ( Very High Frequency ) de 30 à 300 MHz de 1 à 10 m UHF ( Ultra High Frequency ) de 300 à 3000 MHz de 1 à 10 dm SHF ( Super High Frequency ) de 3 à 30 GHz de 1 à 10 cm EHF ( Extra High Frequency ) de 30 à 300 GHz de 1 à 10 mm Lumière infra-rouge de 100 à 1,6 µm Lumière visible de 1,55 à 0,8 µm CIN ST MANDRIER Fibre Optique Spectre disponible 100 Hz 1 kHz F.V. 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF km hm dam m dm cm mm 1 THz 10 THz 100 THz µm Infra-rouge CIN ST MANDRIER U.V. Fibre Optique Spectre disponible 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF km hm dam m dm cm mm Mode de propagation F.V. 1 THz 10 THz 100 THz µm Infra-rouge Onde de sol Réflexion ionosphérique Réfraction troposphérique Dispersion troposphérique Visibilité directe CIN ST MANDRIER U.V. Fibre Optique Spectre disponible 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF km hm dam m dm cm mm Radiodiffusion sonore F.V. Radiodiffusion visuelle 1 THz 10 THz 100 THz µm Infra-rouge Ondes longues (OL) 150 à 285 kHz Ondes moyennes (OM) 0,525 à 1,6 MHz Ondes courtes (OC) 4 à 26 MHz Ondes ultra-courtes (OUC) 87,5 à 108 MHz Télévision (bande I, III, IV et V) 41/68, 174/216, 470/605, 606/960 MHz CIN ST MANDRIER U.V. Fibre Optique Spectre disponible 100 Hz 1 kHz Systèmes de télécommunications F.V. 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF km hm dam m dm cm mm 1 THz 10 THz 100 THz µm Infra-rouge Faisceaux hertziens (FH) 0,25 à 22 GHz Satellites 3 à 30 GHz Télégraphie et téléphonie par ondes courtes 1,6 à 30 MHz Radio communications mobiles 80, 160 et 460 MHz CIN ST MANDRIER U.V. Fibre Optique Longueurs d'onde utilisées Lumière visible Ultra-Violet Infra-Rouge l F = c / l 800 nm 1300 nm 1550 nm l 3 longueurs d’onde utilisées en communications optiques CIN ST MANDRIER Fibre Optique Concepts de l'optique Optique "géométrique" Rayons lumineux rectilignes utilisés pour la description des instruments optiques classiques (lentilles, lunettes,…) Optique "ondulatoire" Les rayons peuvent être perçus comme des ondes électromagnétique qui se propagent. CIN ST MANDRIER Fibre Optique Vitesse de propagation Vitesse de propagation de la lumière dans le vide : C = 300 000 km/s (Célérité) La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu est : Vitesse de propagation = C / n ( n = indice de réfraction ) Les principaux indices de réfraction sont : 1 pour le vide 1,003 pour l'air 1,3 pour l'eau 1,5 pour le verre 2 pour le diamant CIN ST MANDRIER Fibre Optique Indice optique d'un milieu L'indice absolu n1 d'un milieu est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans le milieu considéré. c n1 = c1 Vitesse de la lumière : c = 299792,5 km/s CIN ST MANDRIER Fibre Optique Théorèmes optiques La réflexion La réfraction La diffusion L'absorption La diffraction CIN ST MANDRIER Fibre Optique La Réflexion 1ère loi de Descartes La réflexion est le renvoi de la lumière par la surface qui la reçoit : Le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence Rayon incident n1 i i' Rayon réfléchi N n2 CIN ST MANDRIER Fibre Optique La Réflexion CIN ST MANDRIER Fibre Optique La Réfraction 2ème loi de Descartes La réfraction est la déviation subie par les rayons lumineux à la traversée de la surface séparant deux milieux transparents : Le rayon réfracté se trouve dans le plan d'incidence L'angle de réfraction suit la loi : n1 sin i = n2 sin r Rayon incident n1 n2 i N n1 n 2 r i r Rayon réfracté CIN ST MANDRIER Fibre Optique Réflexion & Réfraction Rayon incident n1 > n2 n1 n2 n1 = arcsin n2 i N Rayon réfléchi Rayon réfracté i = = angle limite de réfraction i > (effet miroir) CIN ST MANDRIER Fibre Optique L'absorption Partie de l'énergie lumineuse qui est absorbée par certains éléments. Elle est transformée en une autre forme d"énergie : Vibrations moléculaires Rayonnement stimulé …… CIN ST MANDRIER Fibre Optique La diffusion La diffusion est le renvoi de la lumière dans toutes les directions par le milieu qu'elle frappe. R CIN ST MANDRIER Fibre Optique La diffraction La diffraction est l'éparpillement d'un rayon lumineux traversant une ouverture de faible diamètre sur une surface finement striée. théorique réel CIN ST MANDRIER Fibre Optique Généralités sur l'optique Notions élémentaires sur la F.O. DWDM Aspect matériel CIN ST MANDRIER Fibre Optique Structure d'une fibre optique 250 mm Fibres multimode 20 à 100µm Fibres monomode < 10 mm 125 mm Gaine optique (n2) Gaine mécanique Coeur (n1>n2) CIN ST MANDRIER Fibre Optique Principe du guidage dans une fibre Rayon réfracté Rayon guidé n1 N n2 Il existe un angle limite d’injection CIN ST MANDRIER Fibre Optique L'injection dans la fibre Cône d’acceptance n1 N N n2 Ouverture numérique ON = sin = n n 2 1 2 2 CIN ST MANDRIER Fibre Optique Conditions de guidage Il existe deux conditions de guidage : n1 > n2 i > réflexions totales tout au long de la fibre optique On utilise deux types de fibre. Fibre multimode Fibre monomode 10 µm < Rayon de cœur < 100 µm Rayon de cœur très faible Bande passante limitée à 1GHz Bande passante > 1GHz Fibres à saut ou gradient d’indice Fibres à saut d’indice CIN ST MANDRIER Fibre Optique La notion de mode Issue du caractère ondulatoire de la lumière, l'injection d'une onde électromagnétique dans la fibre optique entraîne une décomposition de l'énergie incidente en sous entités énergétiques ou "mode" qui se propagent différemment. En multimode l'énergie se répartie sur plusieurs modes ou chemins possibles. Les chemins étant de longueurs différentes, les temps de propagation seront différents, ce qui limitera la bande passante. C'est la dispersion modale. Elle est négligeable en monomode CIN ST MANDRIER Fibre Optique La fibre multimode à saut d'indice r n Elles sont constituées: d’un cœur d’indice n1 d’une gaine d’indice n2 CIN ST MANDRIER Fibre Optique Propagation de la lumière dans la fibre multimode à saut d'indice n1 n2 ’ Plusieurs modes de propagation t Pulse émis t Étalement + atténuation CIN ST MANDRIER Fibre Optique Fibre multimode à gradient d'indice Elles limitent le phénomène d’élargissement d’impulsion r n L'indice du cœur varie suivant une loi parabolique fonction de r CIN ST MANDRIER Fibre Optique Propagation de la lumière dans la fibre multimode à gradient d'indice n1 n2 ’ Plusieurs modes de propagation t Pulse émis t Atténuation Etalement moins important CIN ST MANDRIER Fibre Optique La fibre monomode 3 à 10mm r n Le diamètre du cœur Elles sont constituées: est très petit d’un cœur d’indice n1 d’une gaine d’indice n2 CIN ST MANDRIER Fibre Optique Propagation de la lumière dans la fibre monomode n1 n2 t Pulse émis Un seul mode de propagation t Faible atténuation Faible étalement CIN ST MANDRIER Fibre Optique La fréquence normalisée (V) C’est une variable utilisée par les technologues, elle est donnée par la relation suivante: p 2 = V . ON . R l Si V<2,405 alors la fibre est MONOMODE Si V>2,405 alors la fibre est MULTIMODE CIN ST MANDRIER Fibre Optique Bande passante Les valeurs typiques de bande passante pour une fibre de 1 km sont: Multimode à saut d'indice Multimode à gradient d'indice Monomode 100 MHz quelques GHz > 10 GHz CIN ST MANDRIER Fibre Optique Atténuation de la fibre optique Si on injecte une puissance lumineuse P0 alors sa décroissance linéique est donnée par la relation suivante : x Px = (W ou dBW) P0 e P0 atténuation linéique en (dB/km) x en km CIN ST MANDRIER Fibre Optique Atténuation de la fibre optique Aujourd’hui vaut typiquement 0,2dB/km, ce paramètre d’atténuation traduit l’ensemble des pertes causées par différents processus physiques (absorptions atomique ou moléculaire, diffusion,…) Typiquement en 1974 on avait =20 dB/km on a donc réussi à optimiser la transmission optique dans un rapport de 100 000 CIN ST MANDRIER Fibre Optique Atténuation de la fibre optique Aujourd’hui vaut typiquement 0,2 dB/km, ce paramètre d’atténuation traduit l’ensemble des pertes causées par différents processus physiques (absorptions atomique ou moléculaire, diffusion,…). Typiquement en 1974 on avait = 20 dB/km on a donc réussi à optimiser la transmission optique dans un rapport de 100 000. Les valeurs recommandées par la spécification G 957 de l’UIT sont : l = 1310 nm, = 0,3 – 0,4 dB/km l = 1550 nm, = 0,15 – 0,25 dB/km CIN ST MANDRIER Fibre Optique Conclusions Systèmes à 10 Gbps sur fibres monomodes en utilisant le multiplexage temporel (TDM). Systèmes performants puisqu'ils permettent d'atteindre 100 km sans régénération du signal voire plus pour certaines fibres. Liaisons essentiellement point à point. En 1998, le déploiement de systèmes à 10 Gbps a dépassé les $750 millions pour les Etats-Unis uniquement. CIN ST MANDRIER Fibre Optique Généralités sur l'optique Notions élémentaires sur la F.O. DWDM Aspect matériel CIN ST MANDRIER Fibre Optique Multiplexage en longueur d'onde WDM Wavelenght Division Multiplexing (WDM) ou Multiplexage par longueur d'onde. Besoin d'augmenter la capacité des liaisons sans les remplacer matériellement. Rentabiliser l'infrastructure existante. Optimisation de l'infrastructure déjà déployée afin de véhiculer : La multitude de nouveaux services numériques Les services usuels dont le débit d’informations annexes (de qualité par exemple) augmente CIN ST MANDRIER Fibre Optique WDM CIN ST MANDRIER Fibre Optique Principe du WDM Sources LASER, chacune modulée par 1 débit + filtres optiques Lentille de focalisation Fibre optique On multiplexe ainsi 6 porteuses optiques modulées, d’où l’appellation WDM-6 Débit total transmis = 6 Débit nominal CIN ST MANDRIER Fibre Optique Fenêtre utilisée Le peigne des longueurs d'onde normalisé par l'UIT-T pour le système WDM se trouve entre 1530 et 1565 nm, soit une fenêtre spectrale de 35 nm. On partage cette fenêtre spectrale afin de pouvoir utiliser 16 ou 40 longueurs d'onde. On obtient un peigne. C'est la recommandation G 692 (interfaces optiques pour système multi-canaux) qui normalise l'espacement en nm entre deux longueurs d'onde permises dans la fenêtre : 1,6 nm ou 200 GHz 0,8 nm ou 100 GHZ CIN ST MANDRIER Fibre Optique Recommandation pour le DWDM DWDM ou Dense WDM. Dans ce cas l'écart entre deux longueurs d'ondes voisines est plus petit ( < 100 GHz ): 0,4 nm ou 50 GHz 0,2 nm ou 25 GHz Les systèmes d'aujourd'hui comportent 4, 8, 16, 32 voire 80 canaux optiques donc des capacités de 10 à 200 Gbps si on prend un débit de canal de 2,5 Gbps. CIN ST MANDRIER Fibre Optique Conclusions Exemple de liaison optique WDM : Liaison « Southern-Cross » reliant l’Australie et les Etats-Unis par un système WDM-16 sur 4 paires de fibres optiques Soit le Débit nominal de 2,5Gb/s alors le débit par fibre optique est de 10Gb/s et le débit total de la liaison est de 160Gb/s Pour augmenter les capacités du WDM : Augmenter le débit binaire nominal (domaine de l’électronique, photoémetteurs) Diminuer l’espacement spectral du peigne afin d’augmenter le nombre de porteuses optiques (il est de 0,8 nm pour 40 porteuses) Elargir la fenêtre spectrale aux longueurs d’onde supérieures à 1560nm CIN ST MANDRIER Fibre Optique Généralités sur l'optique Notions élémentaires sur la F.O. DWDM Aspect matériel CIN ST MANDRIER Fibre Optique Pertes d'épissures Décalages axiaux Défauts de surface CIN ST MANDRIER Fibre Optique Epissures Electrodes Support fixe Support mobile y x z Paramètres : Position initiale, distance entre les deux fibres Arc électrique : intensité et durée CIN ST MANDRIER Fibre Optique Connecteurs optiques Fibre Connecteur vissé CIN ST MANDRIER Fibre Optique Connecteurs optiques connecteur FC Pertes insertion ROS en PC en Super PC en Ultra PC < 0,2 dB typ < 0,3 dB max < -30 dB < -40 dB < -50 dB connecteur SC CIN ST MANDRIER Fibre Optique Composants électroluminescents Diode électroluminescente ( DEL ) Jonction PN dans laquelle on injecte des électrons. Ces électrons excitent les molécules qui reviennent spontanément au repos en libérant des photons. La longueur d'onde de ces photons dépend du matériau utilisé dans la jonction : Pour le gallium L = 1,3 µm Pour l'indium L = 1,55 µm L E D Light Emitting Diode CIN ST MANDRIER Fibre Optique Composants électroluminescents Diode à effet LASER Même principe que la DEL, mais la jonction est enfermée entre des couches de confinement et les faces du composant sont clivées de telle sorte qu'un électron, sur son parcours, libère plusieurs photons. PmW opt DL 1 0,1 Seuil LASER DEL L A S E R Light Amplification by Stimuated Emission of Radiation CIN ST MANDRIER Fibre Optique Composants électroluminescents Caractéristiques DL Puissance 0,1 mW 1 mW Puissance dans la fibre 0,01 mW 0,5 mW Largeur du spectre 50 à 200nm 1 nm Rapidité de modulation 100 MHz 10 GHz Durée de vie 100 ans 10 ans Non Oui Refroidissement 04-96 DEL CIN ST MANDRIER
