Différents types de FO

Les rayons entrants dans la fibre rebondissent sur le bord de la gaine optique mais pas tous aux mêmes endroits. Certains peuvent être peu déviés et d’autres beaucoup. Plusieurs chemins sont possibles d’être empruntés par les rayons lumineux, on parle alors de fibre « multimode ». Dans d’autres cas, il ne peut y avoir qu’un seul chemin suivi par les rayons lumineux, ici on nomme ce type fibre par « fibre monomode » ou « fibre optique monomode ». Le rayon du cœur entre en jeu pour définir le nombre de mode qui peut s’introduire dans la fibre. Seuls les rayons émis contenus dans le cône d’entrée précis, appelé encore cône d’acceptance ou ouverture numérique, peuvent entrer dans la fibre. En d’autre terme, plus le rayon du cœur de la fibre est grand, plus l’ouverture numérique s’élargit et le nombre de rayon lumineux entrant dans la fibre augmente. Il est préférable d’utilise une fibre dont le diamètre du cœur est très petit car l’angle d’incidence diminue et le signal de sortie ressemble de plus en plus au signal d’entrée. Le mot « mode » désigne, en général, le nombre de chemin empruntable par les rayons lumineux, mais des fois un rayon lumineux proprement dit. Le guidage de mode varie avec la longueur d’onde [16].
a) La fibre est dite à saut d’indice si le rayon lumineux pénétrant son cœur change de parcours instantanément lors d’un contact avec la gaine optique. Ce brusque changement est dû à la différence d’indice entre le cœur et la gaine optique et à l’homogénéité de l’indice de réfraction du cœur. Ces indices sont peu différents et doivent être de l’ordre de 1,5. Le diamètre de son cœur est plus de 100µm. Le problème de cette fibre est qu’aucun  des modes envoyés au départ n’arrive au même moment au bout de la fibre, il y a un élargissement des impulsions lumineuses émises comme on voit sur la figure 1.07. Sa capacité est assez faible car chaque rayon doit parcourir une distance différente. Pour une fibre multimode à saut d’indice faite en silice dopée, qui a un cœur de diamètre 100µm, sa bande passante est d’environ entre 10 à50MHz/Km et a un affaiblissement, à 850 nm, inférieur ou égal à 5dB/Km.
La figure 1.07 montre la taille du cœur et de la gaine optique d’une fibre à saut d’indice, le mode de propagation du rayon lumineux et la différence entre l’impulsion d’entrée et celle de la sortie.
Les avantages de ce type de fibre sont : coût faible et facile à mettre en œuvre.
b) La trajectoire du rayon lumineux dans une fibre à gradient d’indice est une courbe, plus précisément un parcours sinusoïdal et la vitesse de ce même rayon étant de plus en plus faible quand il se rapproche du centre du cœur. Celle-ci est due au non homogénéité de l’indice de réfraction dans le cœur. Cet indice est très élevé au centre du cœur et diminue jusqu’à la gaine optique grâce aux différentes couches de verre qui ont chacune un indice de réfraction légèrement différente de la précédente. La gaine optique n’intervient pas directement mais elle élimine les rayons trop inclinés.

La fibre monomode

Vu le problème de la fibre multimode -dispersion modale-, une des solutions est de rétrécir le diamètre de la fibre, d’où la naissance de la fibre monomode. En effet, cette fibre possède un cœur de diamètre très petit, qui est la plupart du temps, inférieur à 10 µm et de même ordre de grandeur que la longueur d’onde du signal. De ce fait, le trajet du rayon lumineux ne change presque pas, plus précisément peu de rebonds lors du contact à l’interface cœur-gaine, donc peu de perte. Seul un mode peut pénétrer à la fois dans la fibre, donc il n’y a pas de différence de vitesse contrairement à la fibre multimode. La dispersion modale est quasi nulle. Comme la trajectoire ne change pas, son temps de parcours du rayon lumineux diminue, donc la vitesse de transmission augmente. La bande passante de ce type de fibre est très élevée, son débit théorique le plus poussé peut atteindre jusqu’à 1Tbits/s. Du fait de ces avantages, elle a pris une ampleur considérable dans les transmissions à grandes distances et à très haut débit. Les inconvénients de ce type de fibre sont son prix et celui des équipements très élevés, ce dernier doit avoir une tolérance faible.

La dispersion polarisation modale

La fibre peut se comporter comme une succession de petits tronçons biréfringents à cause de ses imperfections. En excitant la fibre avec une onde de polarisation quelconque, celle-ci se propage selon deux polarisations orthogonales, donc une dispersion temporelle du signal. Ce phénomène est dû à des défauts dans la géométrie des fibres optiques qui entraînent une différence de vitesse de groupe entre les modes se propageant sur différents axes de polarisation de la fibre.

La dispersion Intermodale

La dispersion intermodale est l’une des causes de l’élargissement d’une impulsion. Elle est très importante pour les fibres multimodes car l’énergie lumineuse injectée à l’entrée de la fibre est répartie entre les différents modes. Cette dispersion peut être définie comme l’écart entre les différents temps de propagation de groupe des différents rayons présents dans l’ouverture numérique et a pour effet d’élargir les impulsions véhiculées dans la fibre. Quand la différence de temps entre deux modes est très petite, c’est-à-dire plus faible que le temps de réponse du récepteur, ce dernier ne reproduira que l’enveloppe des impulsions reçues, et par conséquent un élargissement de l’impulsion initiale.

Les différentes atténuations de la fibre optique

Comme la figure 2.02 montre, la fibre optique présente les différentes sortes de perte mais leurs sommes sont très faibles si on les compare à celle des autres supports de transmission. Soient et Ps la puissance à l’entrée et à la sortie de la fibre. L’atténuation linéaire se traduit par la décroissance exponentielle de la puissance en fonction de la longueur de fibre. C’est la loi de Beer-Lambert se définissant comme suit.

Perte par diffusion

Avec les molécules de verre, les photons interagissent faiblement et de manière aléatoire. Un photon pourrait être dévié de sa trajectoire pour sortir du cœur de la fibre et est alors perdu pendant une transmission. Plus la longueur d’onde du photon est grande, moins il y aura d’interaction et de perte par diffusion.
Les pertes par diffusion sont créées par les irrégularités de composition et d’indice de réfraction.
Cette atténuation est appelée atténuation de RAYLEIGH et présente une décroissance en .

Perte par absorption des ions OH

Les matériaux qui constituent le cœur de la fibre ne sont pas parfaitement transparents et sont plus ou moins absorbants. Par conséquent, une partie de l’énergie électromagnétique est convertie en chaleur par effet joule. Les impuretés de la fibre se présentent sous forme de molécules qui absorbent la lumière à des fréquences spécifiques. Cette perte présente un pic lorsque la longueur d’onde utilisée est entre 1300 et 1550nm comme montre la figure 2.03. Celle-ci est due à la présence des ions OH- dans la silice. Une onde plane qui se propage dans ce milieu est donc de la forme donnée par la relation (2.06) qui comporte un terme réel d’amplitude exponentiel associé au terme imaginaire de phase ; il lui correspond un affaiblissement linéique exprimé en dB/Km

Perte de courbure

La fibre optique est inévitablement courbée au cours de son cheminement. Lorsque le signal décrit un arc de cercle, la vitesse de l’onde est plus grande à l’extérieur qu’à l’intérieur et pourrait dépasser celle de la lumière au-delà d’un certain rayon, mais comme cela est impossible, on admet que la portion correspondante de l’onde est perdue.
En pratique, l’effet de cette perte de courbure est négligeable lorsque le rayon de courbure R est grand par rapport au rayon critique Rc. On calcule ce dernier à l’aide de la relation suivante et à préciser que son unité est en centimètre :

Perte de couplage

La perte de couplage est provoquée à défaut d’alignement et à la réflexion dans les épissures, et au niveau des connecteurs optiques aux extrémités de la liaison. Inévitablement, une partie de la lumière quittant la fibre est perdue par la divergence du faisceau – perte d’insertion – et par réflexion : le faisceau repart en sens inverse, c’est le « return loss ».
L’épissure est le mode de raccordement de deux fibres et il existe deux sortes d’épissurage : celle qui se fait avec une soudure, et celle qui utilise des connecteurs. Mais dans tous les cas, une perte de couplage est toujours présente.
A remarquer que l’épissurage par soudure est moins sensible à la perte de couplage si on le compare à celui qui utilise des connecteurs. Ce dernier phénomène est faible, mais peut détruire la source.
Il existe plusieurs causes de la perte de couplage comme : la séparation longitudinale, le désalignement radial et le désalignement angulaire.

La séparation longitudinale

La séparation longitudinale comme le montre la figure 2.04 qui se traduit par un écartement des deux fibres qui devraient être connectées. Il existe une variation d’indice dans la partie vide qui sépare les deux fibres, donc le rayon lumineux peut être réfracté ou réfléchi selon le cas. La perte due à cette séparation est critique mais non rédhibitoire.

Le désalignement angulaire

Le désalignement angulaire : comme la figure 2.05 nous montre, il y a une présence d’un angle dans le raccord entre les deux fibres. Les rayons lumineux qui passent par ce point subissent une déviation qui se traduit par une perte. Cette dernière pas n’est critique mais dépend seulement de l’angle que font les deux fibres à raccorder.

Effet non linéaire et vieillissement de la fibre optique

Un canal de transmission est dit non linéaire lorsque sa fonction de transfert dépend du signal d’entrée. L’effet Kerr, la diffusion Raman et l’effet Brillouin sont les principales sources de non linéarité dans les fibres optiques. Parmi les conséquences de ces effets non linéaires, on peut citer l’auto modulation, des mélanges à quatre ondes intra et inter canaux.
La puissance lumineuse injectée dans la fibre est si élevée (40 mW/80 µm2 soit plus de 600 W/mm2) et les niveaux de perturbation acceptables si faibles qu’on ne peut plus négliger les effets non linéaires. L’effet Kerr est l’effet non linéaire prépondérant dans la silice qui vient affecter la propagation : l’indice de réfraction varie avec le flux de la puissance. Il faut réduire la dispersion des impulsions pour augmenter la distance de régénération et ou accroître le débit.

Effet Kerr

En optique géométrique, l’effet Kerr correspond à une extension des lois de la réfraction de la lumière lors de sa propagation dans des milieux d’indice variable. Proportionnellement à la puissance optique, l’indice de réfraction peut s’exprimer sous la forme d’une équation non linéaire comme suit.

Effet de Raman et Brillouin

Le plus connu des effets non linéaires est l’effet de Raman, il s’agit d’une interaction photonphonon, c’est-à-dire d’échange d’énergie entre l’onde optique et les vibrations du matériau.
L’effet Brillouin et celui de Raman sont de même nature. La seule différence est que le premier se stimule par une interaction avec des phonons acoustiques, c’est-à-dire avec les vibrations d’ensemble du matériau, se propageant à la vitesse des ondes acoustiques.
Les effets, Raman et Brillouin sont très sensibles. Dès que la puissance injectée dépasse un certain seuil, ils se déclenchent. Il existe une solution pour y remédier. Celle-ci consiste en une modulation d’amplitude à très basse fréquence du 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 quelque gigahertz.

Vieillissement de la fibre optique

La corrosion par l’humidité d’une fibre de silice non protégée la rend très cassante en quelques heures. En plus la fibre peut être exposée à des matières chimiques qui peuvent la brûler . Le revêtement est donc étudié pour protéger la silice. Le facteur « n » mesure la résistance au vieillissement.

Le multiplexage WDM

La technique de multiplexage permet d’exploiter une plus large bande passante que celle qu’utilise un seul émetteur. Le multiplexage WDM ou Wave Division Multiplexing consiste à juxtaposer plusieurs ondes de longueur d’ondes différentes sur une même fibre comme la figure 2.06 nous montre. Il repose sur la propriété physique de la lumière. Chaque signal lumineux possède sa propre longueur d’onde. Ainsi, plutôt que de transmettre de l’information sur une seule longueur d’onde, on va utiliser plusieurs longueurs d’onde, et multiplier d’autant le débit de la liaison. De cette façon, on peut aisément augmenter le débit de transmission d’une fibre sans avoir à la remplacer par une autre. Il suffit simplement de disposer d’un émetteur et d’un récepteur capables de distinguer les différentes longueurs d’onde utilisées. Ainsi un émetteur pourra multiplexer plusieurs canaux en affectant à chacun une longueur d’onde. Le signal lumineux composé de toutes ces longueurs d’onde va transiter sur la fibre, et le récepteur n’aura qu’à démultiplexer le signal pour obtenir les différents canaux de départ.

Le DWDM ou Dense Wavelength Division Multiplexing

Il est plus facile de transporter des longueurs d’onde entre 1530 et 1565 nm même si cet intervalle est étroit. Tout se repose sur la manière dont on sépare les longueurs d’onde à émettre. Le DWDM consiste à séparer ces longueurs de 0,8 et voire même 0,4 nm. Alors, dans ce cas, on peut émettre jusqu’à 87 lumières différentes dans un canal. Si cet intervalle est entre 0,2 et 0,4 nm on parle alors d’UDWDM ou Ultra- Dense Wavelength Division Multiplexing. Par exemple, en théorie, l’utilisation de 32 longueurs d’ondes différentes sur une fibre à 10 Gbits/s permet d’atteindre facilement un débit de 320 Gbits.

Autre dérivé du multiplexage en longueur d’onde

Le CWDM est une autre forme de multiplexage WDM. La norme ITU-T G694.2 permet d’utiliser des longueurs d’onde comprises entre 1270 et 1610 nanomètres, respectivement espacées de 20 nanomètres, donc il ne peut utiliser que dix-huit canaux au maximum, mais en général les équipements n’émettent que sur quatre, huit ou seize canaux. En outre, il est moins performant.
Il existe aussi le WWDM ou Wide Wavelength Division Multiplexing qui est encore plus restrictif que le CWDM puisqu’il ne permet l’utilisation que sur quatre canaux. Il utilise une longueur d’onde comprise entre 1275,7 et 1349,2 nm et doit être espacé de 24,5 nm.
Ces deux normes sont prévues d’être combinées afin d’obtenir un standard unique. Une possibilité serait de remplacer les cinq premiers canaux du CWDM compris entre 1270 et 1350 nanomètres par les quatre canaux utilisés par le WWDM. De la sorte, le CWDM ne comporterait plus que dixsept canaux.

Table des matières

REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIERES 
NOTATIONS
INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 GENERALITE SUR LA FIBRE OPTIQUE
1.1 Introduction
1.1.1 Présentation
1.1.2 Historique de la fibre optique
1.1.3 Domaine d’application de la FO
1.1.3.1 Dans la télécommunication
1.1.3.2 Dans l’armée
1.1.3.3 Applications diverses
1.2 Descriptif
1.2.1 Principes physiques et condition de guidage d’un signal lumineux dans une fibre optique
1.2.1.1 Principes physiques
1.2.1.2 Condition de guidage d’un signal dans une fibre optique
1.2.2 Structure de la fibre optique
1.2.3 Différents types de FO
1.2.3.1 La fibre multimode
1.2.3.2 La fibre monomode
1.3 Les composantes optiques
1.3.1 Les sources optiques
1.3.2 Les détecteurs optiques
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 LES PROBLEMES DE LA TRANSMISSION OPTIQUE
2.1 Introduction
2.2 Les différentes dispersions présentes dans la transmission optique
2.2.1 La dispersion Chromatique
2.2.2 La dispersion polarisation modale
2.2.3 La dispersion Intermodale
2.3 Les différentes atténuations de la fibre optique
2.3.1 Perte par diffusion
2.3.2 Perte par absorption des ions OH
2.3.3 Perte de courbure
2.3.4 Perte par micro courbure
2.3.5 Perte de couplage
2.3.5.1 La séparation longitudinale
2.3.5.2 Le désalignement radial
2.3.5.3 Le désalignement angulaire
2.4 Effet non linéaire et vieillissement de la fibre optique
2.4.1 Effet Kerr
2.4.2 Effet de Raman et Brillouin
2.4.3 Vieillissement de la fibre optique
2.5 Le multiplexage WDM
2.5.1 Le DWDM ou Dense Wavelength Division Multiplexing
2.5.2 Autre dérivé du multiplexage en longueur d’onde
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DE L’EXPLOITATION DE LA FIBRE OPTIQUE 
3.1 Introduction
3.2 La modulation
3.2.1 La modulation directe
3.2.2 La modulation externe
3.3 La détection
3.3.1 La détection directe
3.3.2 La détection cohérente
3.3.2.1 La réception hétérodyne
3.3.2.2 La réception homodyne
3.4 Equipements utilisés
3.4.1 Les différents types de DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer)
3.4.1.1 Le DSLAM
3.4.1.2 Mini-DSLAM
3.4.2 Le raccordement de fibres
3.4.2.1 Les connecteurs
3.4.2.2 L’épissurage
3.4.3 Les appareils de mesure
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 TRANSMISSION PAR FO POUR UN RESEAU LAN CAS DU PROJET CUR
VONTOVORONA 
4.1 Introduction
4.2 Le réseau LAN
4.3 Cas du projet CUR VONTOVORONA
4.3.1 La FTTH/FTTO (respectivement Fiber To The Home et Fiber To The Office)
4.3.2 La FTTB (Fiber To The Building)
4.3.3 La FTTC/FTTCab (respectivement Fiber To The Curb et Fiber To The Cabinet)
4.4 Acheminement des fibres optiques du MAN aux clients
4.4.1 Liaison du réseau LAN au MAN
4.4.2 Backbone
4.5 Bilan de liaison par FO
4.5.1 Puissances maximale et minimale de réception
4.5.2 Atténuation due à la dispersion
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5 SIMULATION D’UNE TRANSMISSION PAR FO 
5.1 Présentation de MATLAB et du logiciel conçu
5.1.1 Présentation de MATLAB
5.2.1.1 Exécuter à partir de la fenêtre de commande
5.2.1.2 Utilisation d’une interface de programmation.
5.1.2 Présentation du logiciel
5.2 Les informations en entrée
5.3.1 Les caractéristiques de la FO
5.3.2 Les caractéristiques des équipements à utiliser
5.3 Guide du logiciel
5.4.1 Résultats obtenus
5.4 Atouts et inconvénients de la transmission optique
5.5.1 Les avantages
5.5.2 Perte de signal négligeable
5.5.3 Vitesses de transmission très élevées
5.5.4 Taille et poids
5.5.5 Insensibilité aux interférences extérieures
5.5.6 Les inconvénients
5.5.6.1 Atténuation
5.5.6.2 La dispersion
5.5.7 Suggestion
5.5.8 Conclusion
CONCLUSION 
ANNEXE 1 : Liaison par fibre optique. Émetteurs et récepteurs de lumière.Photocoupleur
ANNEXE 2 : OUTILLAGE NECESSAIRE POUR LE RACCORDEMENT DES FIBRES OPTIQUES
BIBLIOGRAPHIE 
FICHE DE RENSEIGNEMENT
RESUME