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Atténuation dans la fibre :
L’atténuation correspond à une diminution de la puissance du signal transmis. Elle s’exprime très souvent en décibels (dB). On définit un coefficient d’atténuation α pour une ligne de transmission de longueur L qui s’exprime en dB/Km tel que: 𝛼𝑑𝐵 = 10 𝐿 𝑙𝑜𝑔10 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛 (1.8) L’atténuation de la fibre a plusieurs origines. Elle est essentiellement due à l’absorption intrinsèque de la silice, matériau dont est essentiellement faite la fibre, et à la diffusion Rayleigh, diffusion sur les inhomogénéités du verre, principalement dues aux variations de dopants utilisés pour créer les différences d’indice entre le coeur et la gaine de la fibre. A cela s’ajoute l’absorption par des impuretés présentes dans la fibre, majoritairement les ions des métaux de transitions et les ions OH-, absorption cependant minime dans les fibres actuelles qui ont une très faible teneur en impuretés.
Enfin, l’atténuation est également due à des pertes d’ordre mécanique : courbures, micro-courbures ou fluctuations du diamètre de la fibre (zones où des rayons lumineux peuvent ne plus satisfaire la condition de réflexion totale et où des modes peuvent ne plus répondre à la condition de dispersion et ainsi ne plus être guidés) mais aussi épissures (zones de jonctions entre la fibre et un autre élément de la liaison donnant lieu à de la diffusion ou de la réflexion). L’atténuation étant due à des phénomènes d’absorption et de diffusions, le coefficient linéique dépend par conséquent de la longueur d’onde. La Figure (4) représente le spectre de l’atténuation d’une fibre optique monomode. [12] [13] Cette figure met en évidence une zone minimale d’atténuation autour de 1,55μm qui explique le choix de cette longueur d’onde pour les applications de télécommunications optiques. Ainsi, dans cette fenêtre spectrale, appelée «bande S» de 1460 nm à 1530 nm, «bande C» de 1530 nm à 1565 nm et «bande L» jusqu’à 1625 nm, le coefficient linéique atteint sa valeur minimale de 0,2 dB/km. Ceci correspond en effet à une très faible atténuation mais engendre par exemple des pertes de 20 dB pour 100 km de propagation. D’après ces chiffres, on comprend que l’atténuation de la fibre est source de dégradation.
Effet de la dispersion chromatique : Les différentes composantes spectrales des impulsions se propageant dans la fibre sont décalées temporellement par effet de la dispersion chromatique. Certaines fréquences se retrouvent ainsi à l’avant de l’impulsion, d’autres à l’arrière. Il s’opère alors un élargissement temporel des impulsions du signal. Ces effets sont représentés sur la Figure (5). Figure 1.5: Effets de la dispersion chromatique sur une impulsion. Lorsque l’élargissement dû à la dispersion rend les largeurs à mi-hauteur des impulsions supérieures à leur temps bit, il en résulte des recouvrements entre bits que l’on appelle « interférences entre symboles » (IES). Il est donc nécessaire de connaître les retards entre les différentes composantes spectrales pour pouvoir connaître l’impact de la dispersion chromatique sur un signal de transmission. On utilise ainsi le paramètre de dispersion exprimé en fonction de la longueur d’onde (Dλ). Il représente la différence de temps de propagation en picosecondes (ps) accumulée sur 1 km pour deux longueurs d’onde espacées de 1nm et s’exprime donc en ps/nm/km: Ce paramètre permet de déduire la longueur au bout de laquelle la dispersion chromatique devient critique pour une transmission optique.
Cette longueur est appelée la longueur de dispersion et est définie par: 𝐿𝐷 = 𝑇𝑏𝑖𝑡 𝐷𝜆 .𝛥𝜆 (1.13) Où Tbit est le temps bit du signal de télécommunication, inverse du débit d’information, et Δλ la largeur spectrale du signal. Cette longueur caractérise donc la distance que peut parcourir un signal dans une fibre optique pour que la largeur à mi-hauteur des impulsions de ce signal ne dépasse pas le temps bit imposé par le débit. [16][17] Comme nous l’avons expliqué précédemment, le paramètre de dispersion dépend de la longueur d’onde et peut alors être tracé en fonction de celle-ci pour tout type de fibre, comme par exemple sur la Figure (1.2). On voit sur cette figure (6) la décomposition de la dispersion chromatique en somme de Dm, et Dg, ce qui caractérise respectivement le fait qu’à la fois l’indice et la constante de propagation du signal dépendent de la longueur d’onde. Ainsi, en changeant l’une ou l’autre de ces deux composantes de la dispersion chromatique, comme par exemple en utilisant des dopants ou en jouant sur le profil d’indice ou bien en choisissant une autre géométrie du guide comme dans le cas des fibres à trous, on peut obtenir des fibres ayant des courbes de dispersion différentes de celle de la fibre standard. Ceci a conduit par exemple aux fibres DSF (pour Dispersion Shifted Fiber) ou NZDSF (pour Non Zero Dispersion Shifted Fibre) qui ne présentent pas ou peu de dispersion chromatique à la longueur d’onde de 1,55 μm (contrairement à la fibre SMF dont la dispersion est de 17 ps/nm/km).
Cette figure montre également qu’il existe deux zones de dispersion chromatique : une zone où Dλ<0, dite régime de dispersion « normale » et une zone où Dλ>0, dite régime de dispersion « anormale ». Dans le premier cas, les composantes spectrales correspondant aux basses fréquences (aux grandes longueurs d’onde) ont des vitesses de phase plus grandes et se déplacent donc vers l’avant de l’impulsion alors que dans le second cas, ce sont les hautes fréquences (courtes longueurs d’onde) qui sont les plus rapides. Dans les deux cas de figure, la dispersion chromatique engendre un élargissement temporel des impulsions car elle propulse certaines composantes spectrales à l’avant de l’impulsion et d’autres à l’arrière. Cependant, il est intéressant de connaître le régime de dispersion d’une fibre pour pouvoir compenser l’élargissement engendré. En effet, en utilisant une fibre dite « à compensation de dispersion », ou DCF pour Dispersion Compensated Fibre, il est possible de compresser les impulsions précédemment élargies par une fibre. Pour cela, il suffit de choisir une fibre dont la dispersion, DDCF, est de signe opposé à la dispersion, D, dont l’effet doit être compensé et de choisir la longueur, LDCF, de cette nouvelle fibre telle que : 𝐿. 𝐷 = 𝐿𝐷𝐶𝐹 . 𝐷𝐷𝐶𝐹 (1.14) Où L est la longueur de la première fibre dont les effets de dispersion doivent être compensés. Ainsi, pour pallier les dégradations du signal dues à la dispersion chromatique, des tronçons de fibres DCF sont régulièrement insérés dans les lignes de transmissions optiques. On parle alors de lignes de transmission à gestion de dispersion chromatique.
La dispersion modale de polarisation :
La PMD est une propriété de la fibre optique dans laquelle l’énergie du signal à une longueur d’onde donnée se décompose sur deux modes de polarisation orthogonaux possédant deux vitesses de propagation différentes. La différence entre les temps de propagation des deux modes de polarisation est appelée retard différentiel de groupe (DGD, Differential Group Delay). Comme la dispersion chromatique, la PMD induit un élargissement des impulsions propagées dans la fibre ainsi qu’une limitation aux performances de transmission. La cause principale de la PMD dans la fibre optique est la biréfringence (qui sera discutée dans la suite). Cette dernière est définie par la différence entre les indices de réfraction d’une paire d’états de polarisation orthogonaux. La description de la PMD dans une fibre est plutôt compliquée du fait que les deux modes de polarisation peuvent échanger de l’énergie entre eux ; ce phénomène est lié au couplage de mode aléatoire. La biréfringence dans une fibre optique monomode change aléatoirement le long de sa longueur. Pour comprendre la notion du couplage de mode, considérons une pulsation de lumière qui est polarisée linéairement selon l’axe rapide à l’entrée de la fibre (Figure 2.7). Lorsque l’impulsion se propage dans la fibre une partie de l’énergie va se transformer sur l’axe lent de polarisation, qui va échanger lui aussi de l’énergie avec l’état de polarisation d’origine. Pour une longueur de fibre suffisamment grande, les deux états auront la même quantité d’énergie [6-8][15], comme montré dans la figure suivante : Figure 2.7 : Représentation graphique de la longueur de couplage. [15] La longueur pour laquelle la puissance moyenne dans un mode de polarisation est de 1/e2 de la puissance initiale est appelée longueur de couplage ou de corrélation LC. Ce paramètre aléatoire dépend de la longueur d’onde, de la position le long de la fibre, et de la température. LC varie de quelques dizaines de mètres à un kilomètre. Les fibres télécoms possèdent une valeur typique de 100 m.
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