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 2 ième partie 1.2 Propriétés des fibres optiques 1.2.1. Introduction En tant que canal de transmission, la fibre optique est sujette, comme tout autre canal de transmission, à des déperditions de puissances du signal optique. On peut attribuer ces pertes de puissances à deux types distincts de causes : - les pertes dues à la nature et la structure de la fibre optique (atténuation ou affaiblissement intrinsèque) -les pertes liées à l utilisation de la fibre optique dans les liaisons optiques (pertes de raccordement, de courbures de microcourbure.) Ce phénomène d atténuation, de même que la bande passante, sont les principales propriétés des fibres optiques que nous examinons ci-dessous. 1.2.2 Pertes dues à la nature et la structure de la fibre optique et conséquences. Atténuation ou affaiblissement intrinséque : «Fenêtres optiques» L affaiblissement ou l atténuation de la fibre optique est due essentiellement à l absorption et à la diffusion de la lumière dans le milieu diélectrique de la fibre. Les impuretés et les inhomogénéités dans le matériau sont des sources de perte de puissance optique transmise. La réduction de cette atténuation est donc avant tout une affaire de technologie et de méthode de production. La courbe typique de l atténuation spectrale du matériau de fabrication de fibre optique (silice) est présenté sur la figure 1.15 :
Fig 1.15 : Atténuation spectrale du matériau de fabrication de la fibre optique (silice) Fig 1.16 : Gammes d ondes utilisées dans les fibres optiques La valeur limite de l affaiblissement est donnée par la loi de Rayleigh, qui affirme que la puissance optique absorbée décroît comme λ 4. les pics de la courbe sont dus aux résonances des ions OH - présents comme impuretés dans la fibre. On remarque l existence de trois fenêtres spectrales, régions où l atténuation est minimale. Les fibres optiques fonctionnent actuellement dans ces trois fenêtres : elles définissent donc les gammes d ondes utilisées en communication optique. On les appelle «fenêtres optiques» 1.2.2.1. Réponse impulsionnelle d une fibre optique
On appelle réponse impulsionnelle d une fibre optique l enveloppe du signal à la sortie de la fibre lorsqu on émet à l entrée une impulsion supposée rectangulaire de lumière extrêmement brève (à l instar de l impulsion de Dirac), et non le signal optique lui-même (contrairement à la réponse impulsionnelle d une ligne) La Fig 1.17 donne une idée de la forme de h(t), normalisée par rapport à sa valeur maximum, en fonction de la longueur d une fibre à saut d indice. (elle a été calculée à partir d hypothèses simplificatrices) Pour caractériser globalement la réponse h(t), on définit sa durée efficace d heff comme étant l écart-type d une distribution ayant comme densité de probabilité une fonction h (t) proportionnelle à h(t). H(t)= [ 0 t² h (t) dt ] - [ 0 t h (t) dt ]² ] 1/2 (30) Avec h (t) tel que 0 h (t) dt =1 Fig 1.17 : Réponse impulsionnelle normalisée d une fibre à saut d indice Fig 1.18 :Effet de la longueur sur la durée efficace de la réponse impulsionnelle
L observation expérimentale de la réponse impulsionnelle des fibres optiques permet de tirer les conclusions suivantes (Fig 1.17). * Conformément au calcul de la distorsion de temps de propagation linéique, gح la dispersion modale conduit à une réponse impulsionnelle dont la durée efficace d heff croît linéairement avec la longueur l de la fibre pour des fibres courtes. à partir d une certaine longueur critique l>l crit, dont la valeur varie énormément d une fibre à l autre, et même selon l état de la fibre (de quelques mètres à quelques kilomètres), le coulage des modes fait que la durée efficace dheff croit moins rapidement et tend vers une dépendance en l ( Fig 1.18). lorsque l >> lcrit, la forme de la réponse impulsionnelle h(t) devient approximativement gaussienne. Elle eput alors être approchée par : h(t) = 1 2π d heff exp (-t²/2d² heff ) (31) Sa durée efficace dheff égale à l écart-type de la distribution de Gauss, correspond à la moitié de la durée mesurée à h max / e =0,6h max (Fig 1.17) (32) On constate donc que le couplage des modes a un effet favorable sur le comportement temporel des fibres longues, au prix cependant d un affaiblissement supplémentaire. 1.2.2.2. Réponse fréquentielle d une fibre optique La réponse fréquentielle optique est donnée par la variation de l affaiblissement en fonction de la longueur d onde ( Fig.1.15). Une fois la longueur d onde choisie dans l une des «fenêtres» optimales, l intérêt se porte plutôt sur la réponse fréquentielle relative à l enveloppe du signal optique, car contrairement à ce qui se passe sur les lignes métalliques, mais de manière analogue aux transmissions radioélectriques, c est cette enveloppe, et non le signal optique qui contient en fait l information à transmettre. La réponse fréquentielle est alors déterminée par phénomènes de dispersion et de couplage des modes. La fonction de transfert qui la caractérise est la transformée de fourier de la réponse impulsionnelle h(t). En particulier, pour une fibre longue où h(t) devient gaussienne (voir relation de h(t) précédente),h(f) est aussi une fonction de GAUSS : H(f)= TF h(t) = exp (-2 Π f²d² heff) ) (33)
On définit la distorsion d affaiblissement A(f) de l enveloppe du signal optique en fonction de la fréquence de cette enveloppe, pour une grande longueur l de la fibre par : A(f)= -20log [(H(f) ] ~ d² heff f² (34) Cette distorsion d affaiblissement croît donc proportionnellement au carré de la fréquence de l enveloppe. Elle s ajoute à l affaiblissement Ai =α i l du signal optique lui-même, caractérisé par le flux optique фo (puissance optique), Fig 1.19. Fig 1.19 : Affaiblissement à travers une fibre de longueur l Finalement, l affaiblissement A de l enveloppe du signal optique est donné par A(f) = Ai (f)+ A(f)= α i ( λ)l + K d² heff f² (35) Où λ est la longueur d onde optique et f la fréquence de l enveloppe. En résumé, on remarque que : pour f<< 1/ d heff, l affaiblissement intrinsèque dépend alors λ de mais pas de f. la durée efficace de la réponse impulsionnelle d heff dépend de la manière non linéaire de la longueur l selon la Fig.1.18. Il en va de même de la distorsion d affaiblissement A. La fibre a un comportement très prononcé de filtre passe-bas, avec une fréquence de coupure proportionnelle à 1/ d heff, très élevée. Pour une longueur de fibre donnée, l affaiblissement comparé à celui d un câble coaxial est illustré par la figure cidessous
Fig 1.20 : Comparaison qualitative entre l affaiblissement d une fibre et d un câble coaxial (longueur arbitraire) Fig 1.21 : Spectre d onde de la lumière - Visible et invisible 1.2.3. Pertes liées aux conditions pratiques d exploitation des fibres optiques Le modèle d atténuation que nous venons d examiner convient parfaitement pour une fibre parallèle à la direction de propagation. Cependant, en situation réelle d utilisation, la fibre optique subit bien d autres déperditions de puissance liées aux conditions pratiques d utilisation : courbures, microcourbures, raccordements.
1.2.3.1. Pertes dues aux courbures et microcourbures La fibre ne peut pas dans une application réelle, être exempte de courbures et de microcourbures et dans ces zones le risque pour un rayon lumineux de ne plus satisfaire la condition de réflexion totale est inévitable ; ce qui se traduit par une perte dans la gaine par simple réfraction. L atténuation provoquée par une courbure dépend de la dimension du cœur et aussi du rayon de courbure. Aux courbures de la fibre, il se produit une conversion de mode et en plus une perte d énergie due au rayonnement (Fig 1.22) Fig 1.22 : Pertes dues aux courbures (macrobend) et microcourbures (microbend) 1.2.3.2. Pertes dues aux raccordements : ( jonctions, épissure) Il est indispensable de raccorder de nombreuses fibres pour les transmissions à grande distance. Il est nécessaire aussi de couper les fibres à la longueur appropriée à chaque répéteur et de les connecter à d autres composants. La figure 1.23. montre les déplacements qui peuvent survenir lors d une connexion bout à bout : Un exemple concret de mesure de pertes dues à des décalages est présenté sur la figure 1.23.
Fig 1.23 : Les différents décalages au raccordement de fibres et leur abaissement (brun) La figure 1.24 résume l ensemble des pertes de puissance liées à la nature, à la structure, et aux conditions pratiques d utilisation de la fibre optique. Un cas pratique de quantification de pertes de puissance sur une ligne optique est présenté sur la figure 1.25. Fig 1.24 : Les différents types de pertes sur une fibre optique
Fig 1.25 : Les pertes aux connexions sur une ligne optique 1.2.4. Bande passante L étude de la bande passante (étude théorique) est très complexe dans l ensemble. Cependant, on peut appréhender très simplement cette notion en se limitant au cas de la fibre optique à saut d indice conformément à la définition conventionnelle. On définit par bande passante la plage de fréquences pour laquelle l atténuation de l enveloppe du signal optique est de 3dB au maximum. Ainsi, pour une fibre à saut d indice de fonction de transfert de type gaussien, la bande passante est donnée par la relation : Bo= 0,19/d heff (36) où d heff est la durée efficace de la réponse impusionnelle. La bande passante évolue en fonction de la longueur de la fibre (Fig 1.26).
Fig 1.26:L évolution de la largeur de la bande passante en fonction de la longueur de la fibre