Généralités sur la fibre optique

Toute étude doit impérativement passer par un parcours de généralités afin d’apporter les éléments de base. Dans les systèmes de télécommunications modernes, le support de transmission privilégié est la fibre optique. Il apparaît donc intéressant de rappeler ses propriétés et son influence sur les réseaux de communications optiques.

L’optique

L’optique est la partie de la physique consacrée à l’étude des phénomènes lumineux. Mais aussi par extension, l’étude des moyens de transmission des informations par la lumière et plus largement par l’ensemble des radiations électromagnétiques. On peut faire une distinction entre l’optique géométrique traitant le trajet des rayons lumineux, dont les applications sont les instruments optiques traditionnels (lentilles, prismes, etc.), et l’optique physique traitant la nature de la lumière, de son émission, de sa propagation dans divers milieux, de son absorption par le milieu traversé, des influences subies par la propagation de champs électriques et magnétiques .

Définition et structure générale de la fibre optique

Une fibre optique est un guide d’onde diélectrique qui possède une symétrie circulaire. Elle est constituée de deux couches de matériaux transparents à base de silice appelés le cœur, d’indice de réfraction n1, et la gaine optique qui entoure le cœur, d’indice n2 , L’indice n1 est supérieur à n2 ce qui garantit la réalisation de la condition de réflexion totale sur la gaine d’un rayon se propageant dans le cœur et qui permet le guidage .

On réalise cet écart d’indice entre le cœur et la gaine en incorporant des dopants, tels que :
• Le germanium et le phosphore qui accroissent l’indice dans le cœur.
• Le bore et le fluor qui le font décroître dans la gaine.

En outre, la gaine est elle-même recouverte d’une enveloppe, généralement en plastique, qui a le double rôle de protéger la fibre mécaniquement et de piéger la lumière qui se propage dans la gaine optique, en général indésirable. Si l’on dénude la fibre, le milieu extérieur est l’air.

Classification des fibres optiques

En fonction de la distribution radiale de l’indice de réfraction du cœur, on peut classer les fibres en deux types principaux :

• Les fibres à faible indice ou à saut d’indice (débit limité à 50 Mb/s), dans lesquelles l’indice de réfraction du cœur est homogène dans toutes les directions.
• Les fibres à gradient d’indice (débit limité à 1 Gb/s), dans lesquelles l’indice de réfraction du cœur décroît transversalement à partir de l’axe longitudinal. Selon le diamètre du cœur on peut parler de :

• Fibre multimode dont le diamètre du cœur est de 50μm environ, valeur supérieur à la valeur de la longueur d’onde du signal lumineux d’où les trajets multiples que peuvent avoir ces signaux lumineux. En utilisant une fenêtre de transmission de1.3μm, la portée est de 30km entre deux répéteurs.
• Fibre monomode caractérisée par un faible diamètre du cœur de l’ordre de10μm, valeur voisine de la longueur d’onde du signal lumineux qui, de ce fait, est transmis suivant l’axe de la fibre. La propagation ne subit pas beaucoup de perturbation ; de plus, la bande de fréquences peut atteindre plusieurs dizaines de GHz .

Caractéristiques des fibres optiques

L’atténuation dans les fibres optiques résulte de plusieurs mécanismes. Pertes intrinsèques : dépendent de la nature physico chimique de la fibre optique.
– Pertes par absorption moléculaire : elles sont causées par l’absorption des rayons optiques par la silice et les impuretés contenus dans celle-ci.
– Les irrégularités involontaires de structure provoquent des pertes par diffusion (diffusion Rayleigh). Pertes extrinsèques : dépendent du couplage fibre-fibre ou fibre-composants.
– Les pertes dues aux conditions d’utilisation des fibres. Toute courbure trop serrée crée des pertes par rayonnement.
– Les micro-courbures sont des courbures très faibles, mais répétées et pratiquement incontrôlables, dues au conditionnement des fibres dans les câbles.

– Les fibres sont toujours utilisées par tronçons de longueur finie, raccordés entre eux. Chaque jonction peut provoquer une perte de raccordement.

Dispersion

La dispersion d’un signal optique se manifeste par une distorsion du signal et cause un élargissement des impulsions au cours de leur propagation dans la fibre optique. Il existe trois types de dispersion :

• Dispersion chromatique
La dispersion chromatique est la combinaison de deux types de dispersion: la dispersion du matériau et la dispersion du guide d’onde. La première est causée par la dépendance de l’indice de réfraction de la longueur d’onde. En effet, la dispersion du matériau est très petite par rapport à la longueur d’onde d’environ 1300nm, cette dispersion existe dans toute les fibres optique qu’elle soit monomode ou multi mode. La dispersion du guide d’onde est particulièrement importante pour les fibres monomodes. Elle est causée par le fait que la répartition de la lumière du mode fondamental sur le cœur et la gaine dépend de la longueur d’onde. La dispersion totale est la somme des dispersions due au matériau et la dispersion du guide d’onde.

• Dispersion intermodale
Dans une fibre optique multimode, plusieurs modes se propagent, chacun suit une trajectoire différente. L’énergie lumineuse transmise se répartie entre les différents modes qui se propagent dans le cœur. L’ensemble des retards entre les différents rayons composant le signal lumineux introduit en réception une distorsion du signal électrique ; cette distorsion est la dispersion intermodale.

• Dispersion de polarisation : PMD
Cette dispersion due à la biréfringence de la fibre, provoque une déformation des impulsions lumineuses par le fait que les deux principaux états de polarisation ont des constantes de propagation légèrement différentes. Pour pouvoir compenser avec précision la dispersion de polarisation de la fibre installée, il est nécessaire de l’avoir préalablement mesurée .

Les effets non linéaires 

Les systèmes de télécommunications sur fibre sont conçus dans l’hypothèse d’une transmission linéaire et les effets non-linéaires sont alors des effets parasites qui en dégradent les performances quand les puissances véhiculées deviennent élevées. Aujourd’hui, les systèmes de transmission à haut débit et grande distance utilisent des amplificateurs de puissance à l’émission, ce qui conduit à des puissances très élevées injectées dans la fibre, ce qui conduit à générer des effets non linéaires.

Les effets Raman et Brillouin

L’effet Raman est le plus connu des effets non-linéaires. Il s’agit d’une interaction photon-phonon, c’est-à-dire d’échange d’énergie entre l’onde optique et les vibrations du matériau. L’effet Brillouin est de même nature que la diffusion de Raman, mais l’interaction se fait avec des photons acoustiques, c’est-à-dire avec les vibrations d’ensemble du matériau, se propageant à la vitesse des ondes acoustiques.

Ces effets sont sensibles dès que la puissance injectée dépasse un certain seuil. Une solution mise en œuvre pour les combattre consiste à moduler en amplitude à très basse fréquence le courant d’injection du laser par un signal sinusoïdal, ce qui provoque une modulation de fréquence du signal optique émis et élargit le spectre jusqu’à quelques GHz.