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Historique de la transmission par fibre optique
La première étude théorique sur le guidage des ondes lumineuses dans des diélectriques transparents date déjà de 1910. Puis, la proposition de A.L. Schawlow et C.H. Townes, en 1958, pour la réalisation d’un « maser optique », qu’on appela plus tard le « laser », a marqué le début de la révolution dans le domaine de la télécommunication optique. Vers 1966, l’idée de transporter sur une grande distance des signaux optiques sur une fibre est apparue avec des atténuations de l’ordre de 1000 dB/km. Malgré cela, il suffisait d’une dizaine d’année pour passer de 1000 à 20 dB/km à la fin des années 70, en effectuant des liaisons capables de transporter des débits de 8 à 34 Mbit/s. L’accomplissement des liaisons longues distances est rendu possible grâce à l’accroissement de la qualité de transmission de la fibre. En effet, vers 1978, des systèmes travaillant avec une longueur d’onde de 0 ,8 μm et de capacité de 50 et 100 Mbit/s sont installés. Vers 1980, de nouvelles gammes de fibre dite « monomode » ont atteint le record en terme de qualité de transmission car ils peuvent avoir jusqu’à 0,2dB/km. La caractéristique géométrique de la fibre monomode présentait néanmoins quelques problèmes qui se situe principalement au niveau des connectiques. L’apparition des lasers à semi-conducteur comme source a permis d’émettre un signal lumineux avec une puissance suffisamment élevée pour les longs trajets, de travailler dans la fenêtre de 1,3 μm, pour laquelle la dispersion chromatique est minimale, et d’avoir une adaptation à la dimension petite de la fibre monomode.
Fibre multimode
Dans ces types de fibre, le signal lumineux se propage par des multitudes de rayons le long de la fibre. Ils utilisent la réflexion totale au niveau de l’interface cœur – gaine pour guider l’onde. Les fibres multimodes sont maniables grâce à ses dimensions relativement grandes, ou encore une ouverture numérique élevée. On distingue deux types de fibre multimode :
Fibre multimode à saut d’indice : Comme son nom l’indique, elle est caractérisée par une variation discrète de l’indice du cœur et de la gaine de la fibre optique. Dans une fibre optique, la gaine possède un rayon de l’ordre de 380 μm et le cœur a 200 μm. Le faisceau lumineux injecté à l’entrée de la fibre arrivera à la sortie en empruntant des chemins optiques différents entraînant des temps de propagation différents et donc un étalement du signal transmis.
Profile d’indice d’une fibre optique à saut d’indice, b) Propagation dans une fibre otique à saut d’indice Fibre multimode à gradient d’indice : La fibre multimode à gradient d’indice est caractérisée par la variation linéaire de l’indice n du cœur de la fibre optique en fonction de la distance à l’axe. Le but, pour ce profil d’indice est de rendre la vitesse de propagation des différents rayons plus proche, c’est-à-dire de minimiser l’étalement du signal en rendant plus lents les rayons qui sont proches de l’axe de la fibre et rapides ceux qui s’en éloignent. Les chemins optiques empruntés par les rayons lumineux prennent une allure sinusoïdale. La dimension de la gaine, respectivement du cœur, est de 125 μm respectivement 50 µm-100 μm.
Amplificateur à fibre dopée
Il est constitué d’une portion de fibre dopée par des ions riches en porteurs et d’une source laser (généralement fournie par une diode laser) couplée à la portion de cette fibre.
Le couplage est assuré par un multiplexeur. Le rayon laser envoyé par la source excite les atomes dans la fibre dopée qui est connectée à la fibre de ligne, c’est le pompage optique. Le signal portant l’information agit sur la zone active en produisant le phénomène d’émission stimulée. La quantité de photons augmente alors à la commande du signal à amplifier. Le signal résultant constitue le signal amplifié qui est ensuite injecté dans une autre fibre de ligne, à la sortie de l’amplificateur. Des isolateurs sont utilisés entre la fibre dopée et les fibres de lignes pour empêcher la réflexion du rayon vers la fibre de ligne incidente, qui, en cas de l’amplification de ce rayon réfléchi peut causer l’oscillation du système.
On distingue deux façons de positionner la pompe : soit il est placé avant la fibre active, dans ce cas la propagation de la lumière de la pompe est dans le même sens que le signal et on a un propagation co – propagative , soit la pompe est mise à l’extrémité de la fibre dopée, donc on a un sens du rayon laser opposé à celui du signal, et la configuration est dit contra – propagative. Les deux méthodes peuvent travailler ensemble pour améliorer l’amplification.
Multiplexage en longueur d’onde : WDM
Le multiplexage en longueur d’onde ou WDM (pour wavelength division Multiplexing) est une génération de système de transmission par fibre optique apparue vers le début des années 90 qui met en œuvre le transport de plusieurs longueurs d’ondes dans une seule fibre optique. C’est une technique ayant pour objectif d’optimiser l’utilisation de ce support de transmission qui bénéficie d’une très large bande passante. En fait, la technique WDM est le fruit des diverses percés en technologies optoélectroniques, comme les multiplexeurs optiques, les filtres optiques et les amplificateurs optiques.
En plus du besoin d’exploiter l’énorme bande passante en transmission par fibre optique, le but est de pouvoir distribuer un débit élevé dans plusieurs canaux optiques afin de gagner une distance entre répéteurs plus grands. Justement, d’après ce qu’on a vu précédemment, pour conserver la qualité de transmission, un débit D transporté dans une fibre optique est soumis à une contrainte sur la limitation de la distance entre répéteur ou vice versa. La technique WDM consiste alors à diviser la bande optique en plusieurs porteuses lumineuses, dont pour chaque canal, on transporte un train d’ondes numériques ayant la même vitesse de modulation. On peut assimiler le WDM à la technique de multiplexage fréquentielle MRF (Multiple par Répartition de Fréquence) dont la bande de fréquence utilisée est le spectre de la lumière. La recommandation internationale UIT-T G.692 (Interfaces optiques pour systèmes multicanaux avec amplificateurs optiques) a défini un peigne de longueurs d’ondes autorisées dans la fenêtre de transmission 1530- 1565 nm.
Filtres optiques : réseau de Bragg (FBG)
Comme dans tout système de transmission, la fonction de filtrage est nécessaire pour des éventuels traitements de signal le long da la liaison. En technologie WDM, on les utilise généralement pour sélectionner une porteuse optique dans un multiplex. Un filtre est caractérisé par sa bande passante a -1 dB ou -3 dB, son uniformité sur cette bande passante, et la raideur des pentes. A titre d’ordre de grandeur, un filtre optique possède environ 0.4nm de largeur de la bande passante. Le réseau de Bragg est une technique très utilisée pour la réalisation de filtre optique. Une FBG (Fibber Bragg Grating) ou fibre à réseau de Bragg consiste en une modulation périodique de l’indice de réfraction le long du cœur d’une portion de fibre optique dans le but de créer un miroir sélectif de longueur d’onde. En effet, à la rencontre des dioptres, une partie de l’onde se voit varié de façon périodique sa phase, son amplitude, et sa direction et sera donc réfléchie par diffraction de la lumière. L’ensemble des ondes élémentaires réfléchies sur chaque dioptre constitue les longueurs d’ondes réfléchies. Ceci ne se produit que si les réflexions élémentaires sont en phase. C’est le cas pour une distance entre deux dioptres égale au demi – longueurs d’onde.
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : TRANSMISSION PAR FIBRE OPTIQUE
1.1. Historique de la transmission par fibre optique
1.2. L’onde lumineuse
1.2.1. Equation de propagation
1.2.1.1. Dans le vide
1.2.1.2. Dans la matière
1.2.2. Structure progressive d’une onde plane électromagnétique
1.2.3. Onde électromagnétique plane monochromatique
1.3. Fibre optique
1.3.1. Paramètres géométriques d’une fibre optique
1.3.1.1. Lois de Descartes
1.3.1.2. Angle limite et condition de guidage
1.3.1.3. Ouverture numérique
1.3.2. Différents types de fibres optiques
1.3.2.1. Fibre multimode
1.3.2.2. Fibre monomode
1.4. Transmission par fibre optique
1.4.1. Milieu de transmission
1.4.1.1. Effets linéaires
1.4.1.2. Effets non linéaires
1.4.2. Sources et modulateurs
1.4.2.1. Sources
1.4.2.2. Modulation
1.4.3. Détection
1.4.3.1. Bruit de détection
1.4.3.2. Calcul de la probabilité d’erreur en détection directe
1.4.4. L’amplification optique
1.4.4.1. Amplificateur à semi-conducteur
1.4.4.2. Amplificateur à fibre dopée
1.4.4.3. Amplificateur Raman
1.4.4.4. Bruit d’un amplificateur optique
1.4.5. Atténuations dans une liaison par fibre optique
1.4.5.1. Atténuation intrinsèque
1.4.5.2. Pertes par effet de courbure
1.4.5.3. Pertes par microcourbures
1.4.5.4. Atténuation par épissure
1.5. Multiplexage temporel
1.5.1. ETDM
1.5.2. OTDM
1.6. Multiplexage en longueur d’onde : WDM
1.6.1. Principe
1.6.2. Multiplexeurs et démultiplexeurs en longueur d’onde
1.6.3. Filtres optiques : réseau de Bragg
1.6.4. Les bandes utilisées dans la technologie WDM
1.6.5. Performance de la technologie WDM
1.6.6. Extensions du WDM
1.6.6.1. CWDM
1.6.6.2. DWDM
1.6.7. Normes utilisées par les WDM
1.6.8. Infrastructures totalement optique
1.6.8.1. Répartiteur
1.6.8.2. Multiplexeurs à insertion/extraction
1.6.8.3. Brasseurs optiques
1.7. Conclusion
CHAPITRE 2 : FIBRE OPTIQUE ET LES AUTRES SUPPORTS DE TRANSMISSION
2.1. Supports de transmission
2.2. Câble coaxial
2.2.1. Structure et fonctionnement
2.2.2. Les problèmes du câble coaxial
2.3. Onde radio
2.3.1. Faisceau hertzien
2.3.2. Liaisons par satellites
2.3.3. Les problèmes dans les transmissions par onde radio
2.4. Comparaison de la fibre optique avec les autres supports de transmission dans les liaisons longues distances
2.4.1. Avantages procurés par la fibre optique
2.4.2. Inconvénients de la fibre optique
2.5. Tableau comparatif
2.6. Conclusions
CHAPITRE 3 : SIMULATION D’UNE LIAISON WDM AMPLIFIE
3.1. Problématique
3.2. Présentation de la liaison
3.2.1. Structure Générale d’une liaison WDM amplifiée
3.2.2. Emetteurs et récepteurs optiques
3.2.3. Multiplexeurs et Démultiplexeurs
3.2.4. Fibres de lignes
3.2.5. Fibres de compensations
3.2.6. Amplificateurs
3.3. Bilan de liaison
3.4. Critères de qualités
3.4.1. Bruits considérés
3.4.2. OSNR
3.4.3. Facteur de qualité Q et taux d’erreur binaire
3.4.4. Diagramme de l’œil
3.5. Présentation du programme de simulation d’une liaison WDM amplifiée
3.5.1. Logiciel MATLAB 5.3
3.5.1.1. Le langage MATLAB
3.5.1.2. Justification du choix du langage
3.5.1.3. Les fonctions MATLAB utilisées
3.5.2. Présentation du programme de simulation
3.5.2.1. Fenêtre d’accueil
3.5.2.2. Fenêtre « caractéristiques »
3.5.2.3. Fenêtre « Simulation »
3.6. Simulation de la liaison « LWA »
3.6.1. Présentation de la liaison
3.6.2. Partie simulation
3.6.2.1. Résultats pour un débit par canal de 2,5 Gbit/s
3.6.2.2. Résultats pour un débit par canal de 10 Gbit/s
3.7. Conclusion de la partie simulation
CONCLUSION
ANNEXE 1 : Démonstration 1
ANNEXE 2 : Démonstration 2
ANNEXE 3 : Programme réalisant les calculs du bilan de liaison
ANNEXE 4 : Programme réalisant la simulation du diagramme de l’œil et le calcul du facteur
Q et le taux d’erreur binaire
ANNEXE 5 : Programme réalisant les calculs et affichage de la carte de dispersion
ANNEXE 6 : Programme simulant le spectre du signal optique
BIBLIOGRAPHIE
