REPUBLIQUE DU CAMEROUN Paix - Travail Patrie --------------------- UNIVERSITE DE YAOUNDE I ---------------------- ECOLE NATIONALE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE ---------------------- REPUBLIC OF CAMEROUN Peace - Work Fatherland -------------------- UNIVERSITY OF YAOUNDE I -------------------- NATIONAL ADVANCED SCHOOL OF ENGENEERING -------------------- MASTER PRO 2 EN TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGIE DE L OPTIQUE GUIDEE Leçon 1 : PRINCIPE, PROPRIETES ET TECHNOLOGIES DE LA FIBRE OPTIQUE Equipe des concepteurs : - Martin KOM - Jean EYEBE FOUDA - Guillaume KOM Le contenu est placé sous licence /creative commons/ de niveau 5 (Paternité, Pas d'utilisation commerciale, Partage des conditions initiales à l'identique)..
Séquence 1 3ième partie 1.3. Technologies des fibres optiques 1.3 1. Les différents types de fibres optiques et leurs caractéristiques Le tableau 1.2 montre différents types de fibres optiques. On peut les classer en gros, en deux catégories : les fibres monomodes et les fibres multimodes. Les fibres multimodes peuvent à leur tour, être divisées en fibres à saut d indice, dans lesquelles l indice de réfraction change d une façon discontinue à l interface cœur/gaine, et les fibres à gradient d indice dans lesquelles l indice change de façon continue dans la direction radiale. Certaines fibres emploient largement la silice et ont par conséquent une température de ramollissement élevée (1900 C), tandis que d autres sont composées de verres multicomposants que l on peut travailler à température plus basses (800 à 1200 C). Une fibre monomode peut présenter une très grande bande passante, mais elle n est pas supérieure en tous points aux autres fibres. Les raccordements, par exemple, sont plus difficiles car le rayon du cœur n est que de quelques micromètres. La fibre multimode à saut d indice a un cœur de grand rayon, entre quelques dizaines et une centaine de micromètres de sorte que sa manipulation soit relativement facile. Mais sa bande passante est faible, seulement quelques dizaines de mégahertz sur un km. La fibre multimode à gradient d indice a un cœur dont le rayon est semblable à celui de fibre multimode à saut d indice. Elle peut elle aussi être manipulées facilement. Cependant sa bande passante est environ cent fois plus grande. L indice de réfraction du cœur de ces fibres optiques est à peu près 1,5 et la différence d indice relative entre cœur et gaine se situe normalement entre 0,5 et 1%.
Tableau 1.2 : Types de fibres optiques L étude rigoureuse par les équations de Maxwell, des conditions de propagation dans une fibre montre que seul un nombre limité de types d ondes est susceptible de s y propager : ils correspondent aux modes de propagation, chaque mode ayant une vitesse de propagation qui lui est propre. Le nombre de modes possibles se trouve réduit lorsque l indice du cœur décroît selon une loi quadratique du centre à sa périphérie (fibre à gradient d indice). Un seul mode se propage dans une fibre à cœur d indice constant, dite alors fibre monomode, lorsque son rayon a est suffisamment petit pour que soit satisfaite la condition : 2 Πa/λ.(n²1 n²2 )1/2 < 2,40 λ étant la longueur d onde dan le vide; pour n1=1,50 et n2= 1,51 l inéquation précédente entraîne : a <2,2 λ La figure 1.27 montre le profil d indice des différents types de fibre optique. (37)
Fig 1.27 : Profil d indice des différents types de fibre optique. Tandis que les fibres monomodes et les fibres multimodes à saut d indice ont des indices constants, les fibres à gradient d indice ont un indice variable. Les fibres à gradient d indice ont été spécialement conçues pour les télécommunications. Leur cœur n est pas homogène comme dans le cas des autres fibres, leur indice de réfraction décroît de l axe à r l interface selon la loi (Fig 1.28) : n 1 r =n 1 1 2. α a (38) avec r distance à l axe, Δ =n1 n2<<n1, α exposant de profil d indice tel que α ~2 Fig 1.28: Loi de variation de l indice d une fibre optique à gradient d indice. L'ensemble des caractéristiques des fibres optiques est résumé sur la figure 1.29.
a) b) c) Fig 1.29: Caractéristiques des fibres optiques en fonction du type de fibre a) Fibres monomodes b) Fibres multimodes à saut d'indice c) Fibres multimodes à gradient d'indice 1.3.2. Matériaux et méthodes de fabrication des fibres optiques Une fibre optique est généralement constituée d un cœur à indice de réfraction élevé entouré d une gaine en verre. Plusieurs sortes de combinaisons cœur/gaine et répartitions d indice de
réfraction ont été mises au point et sont résumées au point de vue matériau et répartition d indice dans le tableau 1.2 1.3.2.1. Fibre en verre de silice Le verre de silice est composé d une vitreuse de SiO2 pur. Il présente une atténuation plus faible que tout autre matériau connu actuellement dans la région du proche infra rouge. L indice de réfraction est d environ 1,45 et est donc bas comparé à celui des autres verres. Ainsi, pour employer le verre de silice comme cœur de fibre, on peut utiliser comme matériau de gaine soit de la silice dopée au bore ou au fluor, soit des substances organiques telles que des plastiques, qui sont parmi les quelques matériaux compatibles ayant un indice de réfraction plus bas. D autres part, les verres au phospho silicate et au germanosilicate conviennent pour le cœur, car ils ont un indice de réfraction plus élevé que celui de la silice. Des exemples types des différentes méthodes de fabrication sont : 1. Revêtement plastique d un cœur en verre 2. Méthode «barreau tube» 3. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD, Chemical Vapor Deposition). 4. Hydrolyse à flamme 5. Dépôt par plasma 6. Dépôt en phase vapeur dans le sens axial (VAD, Vapor phase Axial Deposition La figure 1.30 (a) montre une méthode de dépôt chimique en phase vapeur dans laquelle des couches de verrres sont déposées à l intérieur d un tube (dépôt interne), généralement en silice de très grande qualité, d épaisseur uniforme et de section parfaitement circulaire. Ce tube peut former le matériau de gaine mais le plus souvent, il sert simplement de bâti. Pour produire une gaine en silice à faible atténuation, la vapeur de tétrachlorure de silicium est mélangée avec l oxygène, puis on la fait circuler dans le tube. On chauffe à une température d environ 1800 C ; l oxydation se produit par la réaction: SiCl4 +O2 SiO2 + 2cl2 (39)
Fig 1.30: Fabrication de fibre optique par dépôt chimique en phase vapeur (CVD (a) Méthode interne. (D après Kapron et al. ) (b) Méthode de dépôt extérieur. (D après French et al.) 1.3.2.2 Fibres en verre multicomposants Une autre méthode pour fabriquer de verre muticomposant pouvant travaillé aux température beaucoup plus basses de 900 à 1300 C est d utiliser une disposition à creuset double telle que celle de la figure 1.30. Le verre de cœur est fondu dans le creuset interne et le verre de gaine le creuset extérieur ; ils s écoulent par des orifices pour former une fibre. Cette méthode peut convenir à une production industrielle des fibres, mais il faut faire attention aux impuretés provenant des creusets et il est difficile d obtenir des matériaux ayant au départ la qualité voulue. On doit donc prendre de grandes précautions pendant la préparation. Fig 1.31 : Creuset double pour la fabrication des fibres multimodes à gradient d indice ( D après Koizumi et al.)
Comme le montre le tableau 1.2, on produit à partir des verres multicomosants des fibres multimodes, ayant à la fois une répartition à saut d indice et à indice parabolique ou quadratique dans le cœur de la fibre. L atténuation à été réduite récemment à moins de 4dB/Km. Une répartition parabolique peut être obtenue par la méthode du double creuset en permettant la diffusion d ions et par conséquent un échange d ions après que le verre du cœur soit sorti par l orifice interne. On peut avoir par exemple un échange entre les ions thallium (Tl) du cœur et lésions poatsssium (K) de la gaine. L atténuation de cette fibre est aussi inférieure à 4dB/Km à 0,83m. La perte par diffusion Rayleigh peut être inférieure dans certains verres composés, mais malheureusement la dispersion par multicomposant est accrue. 1.3.3. Exemple du processus de fabrication de la fibre monomode : du barreau de verre au câble multi fibres Les images ci après montrent comment l on fabrique de la fibre monomode. Chaque étape de fabrication est illustrée par un schéma explicatif. La première étape consiste en l assemblage d un tube et d une barre de verre cylindrique montés concentriquement. On chauffe le tout pour assurer l'homogénéité du barreau de verre. Un barreau de verre d une longueur 1m et d un diamètre de 10cm permet d obtenir par étirement une fibre monomode de 150 km environ. Fig 1.32 : Etape de fabrication d une fibre monomode : Assemblage Barreau et tube de verre cylindrique montés concentriquement
Le barreau ainsi obtenu sera installé verticalement dans une tour située au premier étage et chauffé par des rampes à gaz. Le verre va s étirer et «couler» en direction du rez pour être enroulé sur une bobine. On mesure l épaisseur de la fibre (~ 10 m ) pour asservir la vitesse du moteur de l enrouleur, afin d assurer un diamètre constant. Fig 1.33 : Etape de fabrication d une fibre monomode : processus d étirement du verre et de son enroulement sur une bobine Chaque bobine de fibre fait l objet d un contrôle de qualité effectué au microscope. Fig 1.34 : : Etape de fabrication d une fibre monomode :Contrôle de qualité de chaque bobine de fibre au microscope Puis on va enrober le verre d un revêtement de protection (~230 m ) et assembler les fibres pour obtenir le câble final à un ou plusieurs brins.
Fig 1.35: Etape de fabrication d une fibre monomode : Obtention du câble final après revêtement de protection du verre et assemblages des fibres 1.3.4. Exemples de réalisations 1.3.4.1. Préliminaires Installé en 1985 1986, le panneau de distribution des fibres dans le local des PTT situé au sous sol d Uni Dufour est le nœud de communication central du réseau de l Université. C est d ici que partent les liaisons informatiques Ethernet ou ATM vers les sites les plus importants, mais ce sont ces mêmes liaisons qui ont permis de relier les centraux téléphoniques. Une partie de ces fibres vont directement au central PTT logé sous la plaine de plainpalais (Généve, Suisse) Fig 1.36 : Fibre PTT dans le sous sol d'uni Dufour Transceivers fibre optique multimode et monomode des sites à distance connectés aux routeurs correspondants.
Fig 1.37 : Transceivers optiques pour les liaisons Ethernet via les fibres PTT Point central du réseau des fibres multimodes du bâtiment Uni dufour. A droite de l image, les Hubs Ethernet à connexion optique. Les fibres arrivent jusqu au poste de travail du personnel des SEINF ou des membres du CUI. Ainsi, on peut connecter les stations à Ethernet, FDDI ou ATM. Fig 1.38 : Panneau de distribution des fibres à Uni Dufour Le gigaswitch commute les trames FDDI du backbone où sont raccordés les principaux serveurs et les routeurs du réseau. 1.3.4.2 Présentation des câbles optiques (après fabrication) Selon les usages envisagés, les fabricants produisent différents types de câbles optiques (Fig 1.39).
a) Câble optique monofibre b) Câble multifibres c) Câble optique de bureau ou domicile (sous tapis) Fig 1.39: Présentation des différents types de câbles optiques 1.3.5. Raccordements (épissure), connexions et couplages optiques Il est d une grande importance pratique que de pourvoir interconnecter les fibres optiques, mais c est une opération en principe difficile à cause de la très petite dimension du cœur de la fibre optique. Il est très important de souligner que le mot «raccordement» signifie un raccordement ou une jonction permanente de deux fibres mises bout à bout. Le mot le plus souvent utilisé à la place de raccordement et qui désigne en fait la même chose est «épissure», «connecteur» indique une connexion amovible que l on peut connecter et déconnecter très souvent. Alors qu épissure et connexion sont des opérations mécaniques sur la fibre, un certain nombre d autres dispositifs permet d effectuer des opérations directement sur le signal optique : ce sont les coupleurs optiques.
1.3.5.1. Raccordements ou épissure Il y a plusieurs techniques de base pour raccorder les fibres, par exemple la méthode du manchon, (fig 1.40 (a)) et la méthode du Vé et le joint à tube libre ( fig 1.40 (b)). Ces méthodes utilisent toutes de la résine époxy pour la fixation en position définitive des fibres. Une méthode très répandue consiste à ramollir et à fondre les extrémités de la fibre dans un arc électrique à faible puissance, (fig 1.40 (c)). La fig 1.40 (d) présente le schéma simplifié d un type d épissure ou fusionneuse fonctionnant sur ce principe, pour fibre monomode. d) e) Fig 1.40 : Méthodes de raccordement : (a) Manchon, (b) Rainures en V ; (c) et (d) fusion à l arc ; (e) raccordement des rubans de fibres.
Elle comprend les éléments suivants : 1 Un arc électrique E assurant la fusion des deux fibres 2 Des micromanipulateurs M assurant l ajustement ; 3 Un dispositif d insertion locale du lumière I, idéalement à la longueur d onde où la fibre est unimodale ; 4 Un dispositif de détection de lumière D. Les fibres I et D sont fortement courbées pour permettent d injecter localement de la lumière dans le cœur de la fibre ou d en prélever. Ces dispositifs permettent en principe d évaluer la perte après fusion in situ, c est à dire sans être obligé de faire une mesure de bout en bout où l injection aurait lieu à l entrée de la ligne et la détection à la sortie. Les épissures actuelles permettent d obtenir des pertes typiques de 0,05dB sur les fibres des télécommunications. La fig 1.40 (e) montre une méthode d épissure multifibre qui a été développée pour ce besoin spécifique, mais les extrémités des fibres ont dû être préparées lors de la fabrication pour que le raccordement soit possible. 1.3.5.2. Connecteurs Il existe à l heure actuelle différents types de connecteurs pour fibres monomodes ou multimodes, (Fig 1.41). Dans certains cas, on déduit la perte par réflexion entre les extrémités des fibres en insérant une fine plaque en plastique entre elles. La perte par couplage a pu ainsi être à moins de 0,1dB. Fig. 1.41 : Photographie de différents types de connecteurs pour fibres optiques.
En dehors des exemples montrés ci dessus, un exemple de solution nouvelle pour les connecteurs est le connecteur à double excentrique, dans lequel les deux fibres à coupler sont montées légèrement décalées par rapport à l axe. En faisant tourner les manchons et en maintenant les fibres, on fait tourner les cœurs sur deux cercles sécants et on détermine le point de couplage optimum en observant l intensité lumineuse sortant d une fibre quand l autre est excitée. La figure 1.42 est la photographie d un de ces connecteurs, particulièrement adaptés aux fibres monomodes. Fig 1.42 : Connecteur à double excentricité 1.3.5.3. Connecteurs ou coupleurs optiques Ils servent à réaliser des opérations précises sur le ou les signaux optiques dans les fibres auxquelles ils sont associés. La figure 1.43 montre le schéma de ces différents coupleurs en précisant les opérations qu ils effectuent sur les signaux..
Fig 1.43 : Schéma des différents coupleurs présentant les opérations effectuées sur les signaux
On distingue alors : Les coupleurs fusionnés (Fused tapered couplers). C est un groupe de fibres fusionnées formant une seule large fibre à la jonction. La lumière introduite dans chacune des fibres apparaît en sortie de toutes les autres fibres ; Le Coupleur séparateur de faisceau ( luam splitting coupler). Il est constitué d un miroir semi transparent et de lentilles permettant de séparer et de réorienter le signal optique dans d autres fibres ; Le Coupleur étoite réflectant (reflective star coupler) C est un dispositif multiports, siège de réflexion multiple, utilisé dans les réseaux informatiques ; Le multiplexeur optique Il est constitué d un miroir semi transparent ou semi refléchissant et sert à faire du multiplexage des signaux optiques ; Le démultiplexeur optique De constitution identique au coupleur précédent, il sert à faire l opération inverse, le démultiplexage optique ; Le Filtre optique Il est constitué d un miroir dichroïque opérant comme un filtre, permettant ainsi de séparer deux signaux optiques de fréquences différentes. Il convient de faire remarquer que les coupleurs optiques servent essentiellement à diviser le signal optique source en plusieurs sorties. Seulement, à chaque division, le signal de sortie diminue et il apparaît également des pertes par couplage (environ 0,5dB par couplage). Ainsi, avec une entrée et deux sorties, le signal se divise entre les sorties 3 db de perte par sortie). Ajoutée aux pertes par couplage, la somme des pertes par divisions (3,5 db par sortie) devient un facteur limitant dans l utilisation des coupleurs optiques, si bien que les possibilités maximales de coupleurs utilisables ne peuvent être déterminées que par la sensibilité des détecteurs à la réception.