Guide d`onde : Fibre optique.

Université Mohammed Premier
École Nationale des Sciences Appliquées d’Oujda
Cours de la 5ème Année : Cycle d’Ingénieurs
Module 5M4
Version 1.0 (Septembre 2009)
Communications Numériques par Fibre Optique
Ch I
: Généralité : Communications optiques.
Ch II
: Guide d’onde : Fibre optique.
Ch III
: Émetteurs électroélectro-optiques : Diodes électroluminescentes,
Diodes lasers.
Ch IV
: Récepteurs électroélectro-optiques : photodiodes, PP-I-N.
Ch V
: Transmission numérique sur fibre optique.
Ch VI
: Effets non linéaires.
Ch VII : Fonctions optiques : Modulateurs électroélectro-optiques, Coupleurs, …
Ch VIII : Performances des systèmes optiques.
Ch IX
: Multiplexage optique.
Ch X
: Réseaux tout optique à haut débit.
Kamal GHOUMID
1
Télécommunications Optiques (1/2)
Atténuation très faible (0 .1 dB/ km).
Débit important, Bande passante très large (25 THz).
Faible poids, très petite taille.
Portée et capacité bien supérieure aux câbles.
Avantage économique parraport système de cuivre.
Sécurité électrique.
...
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2
Télécommunications Optiques (2/2)
Télécommunications : Liaisons urbaines et interurbaines, liaisons sous-marines.
Vidéocommunications.
Liaison et réseaux de données.
Liaisons industrielles : télémesures, télécommandes, surveillance vidéo, …
Capteurs et instrumentation.
Plusieurs domaines d’applications.
...
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3
Atténuation dans les fibres optiques (1/2)
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4
Atténuation dans les fibres optiques (2/2)
Les principales causes d’affaiblissement dans une fibre optique (en silice) :
L’absorption : interaction lumière matière, le photon cède son énergie au
matériau, et l’énergie du photon incident (absorbée) est utilisée pour amener la
structure moléculaire dans un certain état vibratoire. Pour la silice, il y a deux
absorptions, dans l’infrarouge moyen à cause des vibrations moléculaires, et dans
l’ultaviolet à cause des transitions électroniques et moléculaires.
La diffusion raylegh : causée par la nature désordonnée des molécules dans le
verre. Elle est proportionnelle à 1 λ4 , ce phénomène provoque une augmentation
de l’atténuation aux basses longueurs d’onde.
l’absorption intrinsèque : sous forme de pics, principalement due aux ions OH- ,
elle est difficile à éliminer, il faut éviter le contact de la fibre avec l’eau.
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5
Les fenêtres spectrales (1/5)
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6
Les fenêtres spectrales (2/5)
1er génération
Autour de λ = 850 nm (1er fenêtre spectrale).
Fibres optiques multimodes.
LED ou lasers multimodes.
Atténuation élevée.
B = 45 Mbit/s, L = 10 km.
Matériaux plus économiques : liaisons peu coûteuses à courtes
distances ou en réseau local.
N’est utilisée qu’en multimode.
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7
Les fenêtres spectrales (3/5)
2ème génération
Autour de λ = 1300 nm (2ème fenêtre spectrale).
Fibres optiques monomodes.
Pertes plus faibles (0,33 dB/km).
Dispersion chromatique nulle.
Lasers multimodes.
B > 1 Gbit/s, L > 50 km.
Encore largement utilisée.
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8
Les fenêtres spectrales (4/5)
3ème génération
Autour de λ = 1550 nm (3ème fenêtre spectrale).
Fibres optiques monomodes.
Minimum de pertes (0,17 dB/km).
Dispersion non nulle.
Lasers (monomodes) et amplificateur performants.
B > 10 Gbit/s, L = 60 - 70 km.
Deux sous-bandes : C {1525-1565} nm, L {1565-1625} nm.
C'est la fenêtre de choix pour quasiment toutes les applications modernes.
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9
Les fenêtres spectrales (5/5)
4ème génération
Autour de λ = 1550 nm (3ème fenêtre spectrale).
Amplificateurs optiques performants, Fibres optiques monomodes.
Multiplexage en longueur d’onde (plusieurs porteuses dans une même fibre
optique).
Minimum de pertes (0,17 dB/km).
Dispersion non nulle.
B > 10 - 40 Gbit/s, L = 60 - 80 km entre les amplificateurs, plusieurs milliers
de kilomètres entre l’émetteur et le récepteur.
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10
Fibre optique (1/7)
Avantages :
Transmission large bande, et débits binaires élevés.
Affaiblissement minimisé : nombre de répéteurs très réduits et fortement
espacés (60 km).
Immunité aux interférences externes (perturbations électromagnétiques).
Faible sensibilité aux facteurs extérieurs (température, humidité…).
Faible encombrement et faible poids.
Inconvénients :
Difficultés d’adaptation avec les transducteurs optoélectroniques
Exigences micromécaniques importantes (connexions, alignement).
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Fibre optique (2/7)
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
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Fibre optique (3/7)
Immunité aux perturbations électromagnétiques et ses caractéristiques de transmission
du signal
le support idéal des transmissions haut débit.
Les trois composants de la fibre optique sont :
Le cœur (en silice, quartz fondu, ou plastique) dans lequel se propagent les ondes
optiques.
La gaine optique (cladding) en général, dans les mêmes matériaux que le cœur
mais avec des additifs - qui confine les ondes optiques dans le cœur.
Le revêtement de protection (coating) - généralement en plastique qui assure la
protection mécanique de la fibre.
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13
Fibre optique (4/7)
* Le signal lumineux se propage dans et à proximité du cœur.
* Dans la gaine se trouve l’onde évanescente .
* Le revêtement sert à protéger la fibre optique.
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Fibre optique (5/7)
Fibres multimodes 20 à 100 µm
Fibres monomodes < 10 µm
Gaine optique (n2)
Coeur (n1 > n2)
Gaine
mécanique
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15
Fibre optique (6/7)
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16
Fibre optique (7/7)
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Raccordement de fibre (1/2)
Dans l'établissement d'une liaison par fibre optique on est contraint de relier :
* La source émettrice à la fibre optique.
* Les fibres optiques entre-elles.
* La fibre optique au récepteur optique.
On distingue 3 méthodes de raccordement des fibres optiques :
* Jointage : consiste à souder deux fibres entre-elles, bout à bout, par fusion des
matériaux constituants en utilisant une fusionneuse automatique.
* Epissurage : consiste, comme précédemment à assembler bout à bout deux
fibres, et de coller le tout par l'apport d'une colle spéciale de même
indice optique que les fibres à raccorder.
Connexion amovible : consiste à utiliser deux pièces mécaniques qui s'emboîtent
ou sevissent pour amener les deux fibres en vis-à-vis.
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Raccordement de fibre (2/2)
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19
La silice (1/1)
Tétraèdre
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Verre de silice (amophe)
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20
Propagation dans une fibre optique (1/3)
Fibre à saut d’indice
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21
Propagation dans une fibre optique (2/3)
Fibre à gradient d’indice
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22
Propagation dans une fibre optique (3/3)
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Modes de propagation (1/6)
Paramètres des fibres optiques
Rayon de la fibre optique : a
Différence d'indice normalisée :
Ouverture numérique :
Fréquence normalisée :
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Modes de propagation (2/6)
Pour trouver les modes, il faut résoudre l’équation d’Helmotz en coordonnées cylindriques.
Avec :
L’équation à résoudre s’écrit :
Pour trouver les constantes de propagation β, ainsi que
se propageant dans la
fibre optique, on résout l'équation d'onde pour la composante des champs selon
. On
procède ensuit par séparation de variables :
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Modes de propagation (3/6)
On trouve :
avec ν est un entier.
Pour la dépendance en r, on doit résoudre l’équation :
La solution de cette équation est composée de fonctions de Bessel
et
.
Les conditions aux limites imposent :
Le champ doit être fini en r = 0, donc la solution sera de forme
dans le cœur.
Le champ doit être nul à r =
dans la gaine.
donc la solution sera de forme
Les autres composantes des champs s’obtiennent en utilisant les équations de Maxwell.
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26
Modes de propagation (4/6)
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27
Modes de propagation (5/6)
Dans l’approximation faible guidage, on a :
Résolution graphique.
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Modes de propagation (6/6)
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29
Fibre optique multi/monomode (1/2)
Le nombre de modes M est donné par (approximation vraie pour un grand nombre
de modes) :
Avec :
Fibre monomode si V < 2,405
Il existe une valeur critique du paramètre V, notée VC pour laquelle si V < VC , le mode
n’est plus guidé. VC est la fréquence normalisée de coupure du mode.
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Fibre optique multi/monomode (2/2)
Fibre multimodes :
A été la première utilisée.
Est facile à utiliser (gros coeur ~ tolérances élevées) mais a une limitation intrinsèque
de bande passante.
Réservée aux courtes distances : réseaux informatiques.
Fibre monomode :
A une bande passante pratiquement infinie (en théorie) mais requiert des composants
chers et des tolérances faibles.
Est devenue la solution universelle des systèmes de télécommunications.
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Atténuation (1/1)
Atténuation linéique
P(0)
P(L)
L
'α' est l’atténuation linéique, elle dépend du matériau (plastique, silice,...) et de la
longueur d'onde λ, elle est donnée en dB/km.
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Dispersion (1/6)
La dispersion se manifeste par un élargissement des impulsions au cours de leur
propagation.
n1
n2
Dans une fibre optique multimodes, les différents modes ne se propagent pas à la même
vitesse.
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33
Dispersion (2/6)
Dispersion intermodale
L’énergie lumineuse injectée à l’entrée de la fibre est répartie entre les différents modes.
Ces derniers se propagent dans le cœur de la fibre optique avec des vitesses différentes :
θ lim ≤ θ m ≤
π
2
Mode le plus lent :
Mode le plus rapide :
Élargissement de l’impulsion :
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Dispersion (3/6)
Limitation du débit dans une liaison numérique :
Interférences intersymboles
Débit numérique maximum
Après propagation
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Dispersion (4/6)
Dispersion chromatique
La vitesse de propagation moyenne d’une impulsion est égale à la vitesse de groupe du mode
fondamental. Le problème vient de ce que le temps de propagation de groupe varie avec la
longueur d'onde. Or les sources de rayonnement lumineux ne sont pas rigoureusement
monochromatiques.
Il y a deux causes à prendre en compte :
* l'indice qui varie en fonction de la longueur d'onde (dispersion matériau);
* La vitesse de groupe qui varie avec la longueur d'onde (dispersion guide d'onde)
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Dispersion (5/6)
Dispersion chromatique
Les différentes composantes spectrales n’arrivent pas au même instant à l’extrémité
de la fibre:
Paramètre de dispersion exprimé en ps/(km.nm) :
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Dispersion (6/6)
Liaisons haut débit
Le débit maximum est inversement proportionnel à:
* La longueur de fibre : L
* La dispersion de la fibre : D
* La largeur spectrale du signal : ∆λ
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