Télécommunication Optique

Najjar M.

FIBRES OPTIQUES

Domaines d’utilisation :

• Télécommunications et réseaux :

Liaisons longue distance, terrestres et sous-marines (WAN)

Réseaux métropolitains (MAN)

Réseaux locaux informatiques (LAN)

Réseaux d’accès des abonnés

• Liaisons industrielles :

contrôle, video, bus de terrain …

• Capteurs et instrumentation optique

• Transport de lumière

Marché actuellement saturé

Toujours en croissance

futur marché ?

éclairage, visualisation, faisceaux laser …

Najjar M. 2

FIBRES OPTIQUES

Eléments d’un système sur fibres optiques :

signalélectrique

Interface Optique d'Emission

Fibre Optique

signalélectrique

(IOE)

Interface Optique deRéception (IOR)

(signal optique)

multiplexeur

Amplificateur optique

(répéteur-régénérateur pour lesanciennes liaisons)

Najjar M. 3

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

• 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 ”

10 Gbit/s par l

Najjar M. 4

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES

• A saut d’indice (step index) :

revêtement

Cône d'acceptance

Q0 q00

z

Cœur (indice n1) r

a b

Gaine (indice n2)

n(r)

Rayon guidé

Rayon réfracté

ouverture numérique ON = sin Q0 = n1 sinq0 = 22

21 nn

Forte différence de temps de propagation

q0

Najjar M. 5

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES

• A gradient d’indice (graded index) :

Cœur : indice n(r) r

0z

a b

Gaine (indice n2)

n(r)

n1

Indice du cœur : n(r) = n1

Différence relative d’indice D =

))r/a(1( 2D

1

21

n

nn

Faible différence de

temps de propagation

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES

à saut d’indice à gradient d’indice

Dispersion

intermodale

élevée

(Dtim 100 ns/km)

faible

(Dtim 1 ns/km)

MatériauxPlastique

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

coupléeélevée plus faible

Applications éclairage, décoration, etc …)

Trans. de données très courte distance

réseaux locaux

Moyenne distance

Najjar M. 7

FIBRES OPTIQUES MONOMODES

• Condition de propagation monomode :

V (fréquence réduite) = < 2,4

• 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

2

2

2

1 nn2.a

l

• Inconvénient : raccordements très précis

donc coûteux

- conservation de la cohérence de la lumière

Najjar M. 8

FIBRES OPTIQUES MONOMODES

• Caractéristiques :

q0

Divergence du

faisceau en sortie :

q0 = l/w0

Profil gaussien

du champ

E(r) = E0. exp -(r/w0)2

r

n2

n(r)n1 z

gaine

cœur 2a

r

E(r)

2w

0

Profil à saut d’indice(fibre standard)

diamètre de mode

augmente avec l

Najjar M. 9

Atténuation et pertes des fibres optiques

Atténuation intrinsèque

Dans les fibres optiques on peut distinguer trois types d’atténuation et de

pertes :

Atténuation intrinsèque

Pertes aux raccordements

Pertes par courbure et microcourbures

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 due à deux phénomènes physiques dans le matériau.1010

z

La diffusion L’absorption.

Najjar M. 10

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

à4l

III.4.1.a Diffusion

Pour une fibre silice à cœur dopé germanium on a numériquement:

4..6675,0/ D l nkmdBD

Avec l en microns(µm)

nD

.

Cette dépendance incite à travailler à des longueurs d’onde élevées, donc dans

l’infrarouge.

la différence absolue d’indice entre le coeur dopé germanium et la

silice pure

Elle se compose de plusieurs termes :

Absorption

Les transitions électroniques

Les vibrations moléculaires de la silice

On l’observe dans tous les milieux désordonnés ( verres, liquides, gaz) à cause des

fluctuations de densité sur des distances très courtes.

Najjar M. 11

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.

Najjar M. 12

Pic OH

1ère 2ème 3ème fenêtre

fibre multimode

coupure des modesd’ordre supérieur

fibre monomode

0,1

5

2

(dB / km)

l

1

0,5

0,2

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 µm

Najjar M. 13

III.4.2 Pertes aux raccordements

Cause de pertes

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.

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

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. 14

Najjar M. 15

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.

Calcul des pertes

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.

623

0 .879,2.619,165,0

VVa

w

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= et µm250 01,02,0

Najjar M. 16

2

2

12

ON

naRC

Multimode fiber

3

2/3

21

75,220

c

Cnn

Rl

llMonomode fibre

C

cRR

RdB log10)(

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 :

Il est plus complexe. Il dépend de la forme des déformations, l’amplitude, la

répartition … etc. Il est en général étalonné expérimentalement.

Effet des microcourbures :

Une formule permet de prévoir l’atténuation linéique due aux mêmes

microcourbures pour une fibre donnée à partir de l’atténuation mesurée sur une

fibre de référence.2

26

0

4

0 ...05,0m

rea

ONwk

Najjar M. 17

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

utiliséesmultimode

multimode et

monomodemonomode

Atténuationtrès faible

(0,2 dB/km)

Dispersion

chromatique

faible, non nulletrès faible dans les fibres

à dispersion décalée

faible

(0,4 à 1 dB/km)

forte

(2 à 4 dB/km)

forte quasi nulle

Najjar M. 18

FENETRES DE TRANSMISSION

Fenêtre Première Deuxième Troisième

Emetteurs :

type

DEL ;

lasers VCSEL(très hauts débits)

D.E.L.(multi-)

D.L. standard(dans mono-)

diodes laser DFB(monochromatiques)

Récepteurs :

matériau

Silicium GaInAsP / InPGe, HgCdTe (très peu employés)

Coût descomposants

faible moyen élevé

ApplicationsTransmissions

courte distance ;réseaux locaux ;

gigabit à très courte distance

Transmissions moyennes et

longues distance ; MAN et LAN

haut débit

Transmissionstrès longue distance

(WAN) et à amplification optique

Multiplexageentre les deux fenêtres

(par exemple : une par sens)

"Dense"(nombreux canaux

dans la même fenêtre)

GaInAsP / InPmatériau GaAlAs/GaAs

Najjar M. 19

FIBRES OPTIQUES MONOMODES

• Dispersion chromatique :

– entraîne un élargissement d’impulsion :

Dtch = Dch. Dl.L

Défauts de la fibre + biréfringence induite

(contraintes … )

ps/nm/km

• Dispersion de polarisation

(PMD, polarisation mode dispersion)

• existence de 2 polarisations de vitesses différentes

• entraîne un élargissement : Dtp = PMD.

L

ps/kmDt Dtch 2 Dtp

21/2Caractère aléatoire

Najjar M. 20

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES

• Réponse impulsionnelle h(t) :

t

Impulsion émise

e(t)

t

Impulsions reçues

s(t) = e(t)*h(t)

Dtim

fibre à saut d'indice

Effet de la dispersion

intermodale

• Elargissement total d’impulsion :

Dt 2

im

2

ch tt DD

Effet de la dispersion

chromatique

Najjar M. 21

FIBRES OPTIQUES MULTIMODES

• Réponse fréquentielle :

- 3 dB

20 log H(f)/H(0)

f0

• Bande passante :

BP. L 1/2Dt

BP

fibre à gradient d'indice

BP

fibre à saut d'indice

en MHz.km

• le produit longueur x bande passante est constant

approximativement

Najjar M. 23

DISPERSION CHROMATIQUE

• Courbe dans la silice : Dc = DM + DG

Dc (ps/nm/km)

l mm

40

20

0

-20

-40

1 1,2 1,4 1,6

Dispersion

matériau DM

Fibre standard G652 : optimale à 1,3 mm

utilisable à 1,5 mm (liaisons pas trop longues)

Fibre à dispersion décalée

(DSF) G653 nulle à 1,55 mm

Fibre NZ-DSF G655

(non zero – dispersion shifted fiber)

Dispersion faible dans toute la 3ème fenêtre

Adaptée au WDM(mux. en longueur d’onde)

+ compensation optique de la dispersion

Pas adaptée au WDM

Dispersion guide < 0 dépend des

paramètres de la fibre

Najjar M. 24

PRINCIPAUX TYPES DE FIBRES

Matériau Plastique Toute silice (cœur « dopé » au GeO2)

Type MultimodeMultimode gradient

d’indice

Monomode standard

Monomode disp. décalée

Diamètrescœur / gaine (mm)

980/1000 50/125 62,5/125 9/125 7/125

Longueurs d’onde

et atténuation

Visible

200 dB/km

0,85 µm – 1,3 µm

3 dB/km – 0,9 dB/km

1,3 – 1,55 µm

0,5 – 0,2 dB/km

1,5 à 1,6 µm

0,22 dB/km

Débits typ.

et distances

10 à 100 Mb/s

100 m

100 Mb/s /5 km

1 Gb/s /400 m

100 Mb/s

2 km

1 à 10 Gbit/s

20 à 50 km

n x 10 Gbit/s

milliers de km

Mise en œuvre

pb. particuliers

Facile température

Assez facilePlus délicateraccordements

Coût global Faible Assez faiblePlus élevé (interfaces,

connecteurs)

Applications

principales

Eclairage,

visualisation,trans. données

très courte distance

Distribution,

LANs hauts

débits(GE courte

distance)

LANs tous

débits

LANs très

hauts débits,

réseaux

métropolitains,

longues dist.

Liaisons très

longues (avec

amplificateurs

et WDM)

Najjar M. 25

GeO2: Germanium dioxide

CABLES A FIBRES OPTIQUES

Najjar M. 26