La Fibre Optique

Généralités :

La lumière au sens large (non restreint au domaine du visible de l=0,4 μm à l=0,8 mm) est une onde   

électromagnétique qui peut servir de support de transmission de l’information. 

Le spectre électromagnétique (le spectre visible correspond aux couleurs en bas du schéma)

Il existe deux sortes de sources de lumière. Les sources primaires produisent de la lumière par elles-mêmes. Cette émission est possible car il y a transformation d'une énergie chimique (bougie), électrique (lampe, enseignes), biochimique (vers luisant) ou nucléaire (soleil, étoiles) en énergie lumineuse.  Il existe deux sortes de sources primaires. Les unes rayonnent par incandescence et les autres par luminescence. Dans le premier cas, le rayonnement est émis parce que l'objet est chaud (étoile, lampe, bougie ..). Dans le deuxième cas, de la lumière dite froide est émise quand le rayonnement provient de transformations qui ont lieu à l'intérieur des atomes.  Par exemple, les atomes du gaz néon transforme l'énergie électrique reçue en énergie lumineuse.

Les sources secondaires ou objets diffusant sont des objets dont la surface éclairée, renvoie, dans toutes les directions, une partie de la lumière qu'elle reçoit. La lune, les planètes, les objets qui nous entourent sont des sources secondaires de lumières. Une tomate (rouge) est éclairée par la lumière blanche d'une lampe. Elle absorbe toutes les couleurs de la lumière sauf le rouge qu'elle diffuse dans toutes les directions. C'est un objet diffusant ou source secondaire.

La propagation de la lumière dans l’atmosphère étant très variable, une transmission longue distance en espace libre n’est pas envisageable. Par contre sa transmission guidée dans une fibre optique présente les avantages suivants:

• Faibles pertes par propagation
• Large bande passante ⇒ portée et capacité de débits très supérieurs aux câbles en cuivre   
• Insensibilité aux perturbations électromagnétiques (C.E.M.)
• Couplage quasi nul entre fibres optiques gaînées
• Robustesse, faible poids et faible encombrement
• Prix de revient modéré (coût global en général inférieur à la solution "cuivre")             

La technologie fibre optique est aujourd'hui mature grâce aux progrès faits sur la transparence des fibres, l'apparition de connecteurs et de composants optoélectroniques performants (diodes laser et photodiodes). Pour toutes les nouvelles installations de transmission à moyenne et à grande distance les fibres optiques sont désormais préférées aux câbles "cuivre". Les domaines d'applications sont les télécommunications, les liaisons et réseaux de données (transmission V.D.I. : Voix, Données, Images) ainsi que l'électronique (liaisons, capteurs et instrumentation).

La Fibre Optique :

Pour mieux comprendre, regardez cette vidéo.

La fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et océaniques de données. Elle offre un débit d'informations nettement supérieur à celui des câbles coaxiaux et supporte un réseau « large bande » par lequel peuvent transiter aussi bien la télévision, le téléphone, la visioconférence ou les données informatiques.

Le principe de la fibre optique a été développé dans les années 1970 dans les laboratoires de l'entreprise américaine Corning Glass Works (actuelle Corning Incorporated).

Entourée d'une gaine protectrice, la fibre optique peut être utilisée pour conduire de la lumière entre deux lieux distants de plusieurs centaines, voire milliers, de kilomètres. Le signal lumineux codé par une variation d'intensité est capable de transmettre une grande quantité d'informations. En permettant les communications à très longue distance et à des débits jusqu'alors impossibles, les fibres optiques ont constitué l'un des éléments clef de la révolution des télécommunications optiques. Ses propriétés sont également exploitées dans le domaine des capteurs (température, pression, etc.), dans l'imagerie et dans l'éclairage.

Un nouveau type de fibres optiques, fibres à cristaux photoniques, a également été mis au point ces dernières années, permettant des gains significatifs de performances dans le domaine du traitement optique de l'information par des techniques non linéaires, dans l'amplification optique ou bien encore dans la génération de supercontinuums utilisables par exemple dans le diagnostic médical.

Principe  de la fibre optique :

La fibre optique est un guide d'onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière. Elle est habituellement constituée d'un cœur entouré d'une gaine. Le cœur de la fibre a un indice de réfraction légèrement plus élevé (différence de quelques millièmes) que la gaine et peut donc confiner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie de multiples fois à l'interface entre les deux matériaux (en raison du phénomène de réflexion totale interne). L’ensemble est généralement recouvert d’une gaine plastique de protection.

Constitution d'une fibre optique

Une fibre optique est un guide d’onde diélectrique circulaire formé d’un cœur entouré d’une gaine de guidage. Si le cœur a un indice de réfraction n₂ supérieur à celui de la gaine n₁, un rayon optique peut alors se propager dans la fibre, celui-ci subissant des réflexions totales à chaque interface.

Pour le verre, n₂ est de l'ordre de 1,5. Tous les rayons lumineux pénétrant dans une fibre ne sont pas guidés. En effet la réflexion totale n'a lieu que pour les rayons peu inclinés par rapport à l'axe de la fibre c’est à dire ceux entrant dans le cône d'acceptance de demi-angle au sommet θ_{i max} . Le sinus de cet angle θ_{i max} définit l'ouverture numérique ON.

On montre que ON = sin θ_{i max} =  

Avec une différence d'indice de 1% on a ON » 0,21 soit θ_{i max} » 12⁰.

Les Différents types de fibre optique :

Fibre multimodes :

Les fibres multimodes, MMF (multi mode fiber) ont été les premières sur le marché. Elles ont pour caractéristiques de transporter plusieurs modes (trajets lumineux) simultanément. Du fait de la dispersion modale, on constate un étalement temporel du signal. En conséquence, elles sont utilisées uniquement pour des bas débits et de courtes distances (réseaux LAN et MAN). 

Il y adeux principaux type de fibre multimode: à saut d'indice (débit <50Mb/s) et à gradient d'indice(débit <1Gb/s) . La dispersion modale peut cependant être minimisée (à une longueur d'onde donnée) en réalisant un gradient d'indice dans le cœur de la fibre. Elles sont caractérisées par un diamètre de cœur de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de micromètres (les cœurs en multimodes sont de 50 ou 62.5 microns pour le bas débit).

Fibre optique monomode :

La fibre monomode, ou SMF (Single Mode Fiber) est utilisée pour les réseaux métropolitains ou les communications longue distance des opérateurs. Son cœur est extrêmement fin (quelques microns). La transmission des données y est assurée par des lasers émettant des longueurs d’onde de 1300 à 1550 nanomètres et par des amplificateurs optiques situés à intervalles réguliers.

On peut distinguer plusieurs catégories de plus en plus performantes, tant en débit qu'en distance :

• G.652 - fibre à dispersion non décalée : la plus courante. Elle permet une transmission à 2,5 Gbps au maximum. 
• G.653 - fibre à dispersion décalée : pour les câbles sous-marins. 
• G.655 - fibre à dispersion non nulle (NZDF : Non Zero Dispersion Fiber) : conçue pour des applications de type WDM (Wavelength Division Multiplexing) amplifiés (cf ci-dessous). 
• G.692 - plus récente, elle est compatible avec le multiplexage DWDM. Elle permet de soutenir les hauts débits sur des distances de 600 à 2000 km (câbles sous-marins). 

Il faut noter que plus la distance est grande, moins le débit peut-être élevé.

Comparaison des performances des 3 types de fibres :

Propagation de la lumière dans les trois types de fibres

L'atténuation est constante quelle que soit la fréquence 

Seule la dispersion  lumineuse limite la largeur de 

la bande passante.

Atténuation dans les fibres optiques :

Parmi les causes d’atténuation de la puissance lumineuse transmise dans une liaison par fibre optique on

distingue :

• Les pertes intrinsèques liées au matériau utilisé. Ce sont les pertes par diffusion et par absorption.
• Les pertes extrinsèques dues aux facteurs extérieurs à la fibre (raccordements, pose, etc...).

Pertes intrinsèques dues au matériau :

L’atténuation de la lumière dans une fibre de longueur l se caractérise par un terme d’atténuation

linéique a, exprimé en dB/km:

où P_i est la puissance couplée à l’entrée de la fibre et P_l est la puissance à la sortie de la fibre.

Cet affaiblissement est constant quel que soit la fréquence de modulation jusqu'à ce qu’intervienne la dispersion modale. La constante α dépend du matériau et de la longueur d’onde utilisée. 

Pertes extrinsèques :

Il s’agit des fuites de lumière hors du guide provoquées par des discontinuités ou des déformations. Il est parfois nécessaire de raccorder deux fibres soit par des épissures (raccordements définitifs) ou par des connecteurs (raccordements démontables). Dans ces cas, les causes de pertes sont les réflexions de Fresnel à la traversée des 2 interfaces verre/air et air/verre (différences de Zc). On l'évite en réalisant soit des épissures mécaniques avec l'emploi d'un gel d'indice adéquat, soit des épissures par fusion. Les défauts de positionnement relatif des 2 fibres (écartement, désalignement, excentrement transversal des 2 coeurs par défaut de concentricité coeur/gaine) peuvent aussi induire des pertes. Enfin, si l’on courbe trop la fibre, on modifie les conditions de réflexions totales à l’interface coeur/gaine. Le rayon peut alors être réfracté dans la gaine. On distingue les pertes par courbures (rayon de courbure < à quelques cm) et celles par micro-courbures (suites à des contraintes mécaniques dues au sertissage d'un manchon de connecteur).

Fabrication de la fibre : 

Pour mieux comprendre, regardez cette vidéo :

La vidéo ci-dessus montre comment l'on fabrique de la fibre optique.

Connectique :

Conversion de signaux électriques en signaux optiques 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 l'infrarouge (850nm). C'est ce qui est utilisé pour le standard Ethernet FOIRL.
• Les diodes à infrarouge qui émettent dans l'invisible à 1300nm.
• Les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d'onde est 1310 nm ou 1550nm.

Il existe nombre de connecteurs pour la fibre optique. Les plus répandus sont les connecteurs ST et SC .

Pour les réseaux FDDI, on utilise les connecteurs doubles MIC .

Il faut encore citer les connecteurs SMA (à visser) et les connecteurs FCPC utilisés pour la fibre monomode.

Le couplage de la fibre optique :

Pour mieux comprendre, regardez cette vidéo :

Cette vidéo montre une nouvelle technologie pour coupler de la fibre c’est la « soudeuse fibre optique ».

Centre de distribution de la fibre optique à Paris

Il y a plusieurs manières pour coupler de la fibre optique :

• Le couplage mécanique de deux connecteurs mis bout à bout au moyen d'une pièce de précision. Le dessin ci-dessous montre l'union de deux connecteurs ST, mais il existe des coupleurs ST/SC ou ST/MIC.
• Le raccordement par Splice mécanique qui est utilisé pour les réparations à la suite de rupture ou pour raccorder une fibre et un connecteur déja équipé de quelques centimètres de fibre que l'on peut acquérir dans le commerce(Pig tail).
  
  
  

Pour mieux comprendre, regardez cette vidéo :

                                                   Cette vidéo montre le Câblage du réseau

Applications – performances :

Les applications sont nombreuses et les plus connues concernent :

• les télécommunications, pour la réalisation des réseaux haut débit des opérateurs en technologie WDM, SDH, ATM.
• l'audiovisuel, pour la réalisation des réseaux câblés de télévision en association avec le câble coaxial utilisé pour le raccordement de l'abonné.

Exemple d'application industrielle :

Alcatel a établi en laboratoire un nouveau record du monde en transportant une capacité de 5 Tbit/s (125 canaux DWDM à 40 Gbit/s) sur une distance de 1 500 kilomètres de sa fibre optique TeraLight(TM) Ultra.

Cette démonstration a été réalisée en utilisant des amplificateurs hybrides Erbium/Raman à deux étages, des systèmes DWDM 40 Gbit/s, la technologie FEC (Forward Error Correction ou code correcteur d'erreur) et la fibre optique TeraLight(TM) Ultra spécifiquement optimisée pour la transmission haut débit sur de très longues distances. La performance ainsi réalisée permet de transporter simultanément, sur une seule fibre optique, 80 millions d'appels téléphoniques ou plus de 500 000 connexions Internet ADSL.

Des liaisons sans répéteur peuvent comporter jusqu'à 48 paires de fibres, l'ensemble acheminant plus de 15 Tb/s sur une distance de 200 Km. A l'opposé, il existe des fibres optiques en plastique, à bas coût et à faibles performances, utilisées en milieu local pertubé, par exemple, pour réaliser les circuits de commande-contrôle dans un avion ou dans un métro. Pour d'autres informations techniques sur les télécommunications : SDH, WDM, TCP/IP et autres technologies filaires (ADSL, PLC) et radio (GPRS, EDGE, UMTS, BLR, WAP) consulter le site de NAXOS,filiale opérateur de Telcité.

Conclusion :

Comme conclusion voir cette vidéo qui montre une petite expérience de transmission musicale via Fibre optique.